A Survey on the Contributions of Software-Defined Networking to Traffic Engineering

Since the appearance of OpenFlow back in 2008, software-defined networking (SDN) has gained momentum. Although there are some discrepancies between the standards developing organizations working with SDN about what SDN is and how it is defined, they all outline traffic engineering (TE) as a key application. One of the most common objectives of TE is the congestion minimization, where techniques such as traffic splitting among multiple paths or advanced reservation systems are used. In such a scenario, this manuscript surveys the role of a comprehensive list of SDN protocols in TE solutions, in order to assess how these protocols can benefit TE. The SDN protocols have been categorized using the SDN architecture proposed by the open networking foundation, which differentiates among data-controller plane interfaces, application-controller plane interfaces, and management interfaces, in order to state how the interface type in which they operate influences TE. In addition, the impact of the SDN protocols on TE has been evaluated by comparing them with the path computation element (PCE)-based architecture. The PCE-based architecture has been selected to measure the impact of SDN on TE because it is the most novel TE architecture until the date, and because it already defines a set of metrics to measure the performance of TE solutions. We conclude that using the three types of interfaces simultaneously will result in more powerful and enhanced TE solutions, since they benefit TE in complementary ways.European Commission through the Horizon 2020 Research and Innovation Programme (GN4) under Grant 691567 Spanish Ministry of Economy and Competitiveness under the Secure Deployment of Services Over SDN and NFV-based Networks Project S&NSEC under Grant TEC2013-47960-C4-3-

Enhancing cross layer monitoring on open optical transport networks

Continuous monitoring of key network elements is instrumental in intelligent control and predictive analysis. This demonstration illustrates implementation challenges that are encountered in cross-layer monitoring of optical transport networks in an open-source network operations platform

Strategies for internet route control: past, present and future

Uno de los problemas más complejos en redes de computadores es el de proporcionar garantías de calidad y confiabilidad a las comunicaciones de datos entre entidades que se encuentran en dominios distintos. Esto se debe a un amplio conjunto de razones -- las cuales serán analizadas en detalle en esta tesis -- pero de manera muy breve podemos destacar: i) la limitada flexibilidad que presenta el modelo actual de encaminamiento inter-dominio en materia de ingeniería de tráfico; ii) la naturaleza distribuida y potencialmente antagónica de las políticas de encaminamiento, las cuales son administradas individualmente y sin coordinación por cada dominio en Internet; y iii) las carencias del protocolo de encaminamiento inter-dominio utilizado en Internet, denominado BGP (Border Gateway Protocol).El objetivo de esta tesis, es precisamente el estudio y propuesta de soluciones que permitan mejorar drásticamente la calidad y confiabilidad de las comunicaciones de datos en redes conformadas por múltiples dominios.Una de las principales herramientas para lograr este fin, es tomar el control de las decisiones de encaminamiento y las posibles acciones de ingeniería de tráfico llevadas a cabo en cada dominio. Por este motivo, esta tesis explora distintas estrategias de como controlar en forma precisa y eficiente, tanto el encaminamiento como las decisiones de ingeniería de tráfico en Internet. En la actualidad este control reside principalmente en BGP, el cual como indicamos anteriormente, es uno de los principales responsables de las limitantes existentes. El paso natural sería reemplazar a BGP, pero su despliegue actual y su reconocida operatividad en muchos otros aspectos, resultan claros indicadores de que su sustitución (ó su posible evolución) será probablemente gradual. En este escenario, esta tesis propone analizar y contribuir con nuevas estrategias en materia de control de encaminamiento e ingeniería de tráfico inter-dominio en tres marcos temporales distintos: i) en la actualidad en redes IP; ii) en un futuro cercano en redes IP/MPLS (MultiProtocol Label Switching); y iii) a largo plazo en redes ópticas, modelando así una evolución progresiva y realista, facilitando el reemplazo gradual de BGP.Más concretamente, este trabajo analiza y contribuye mediante: - La propuesta de estrategias incrementales basadas en el Control Inteligente de Rutas (Intelligent Route Control, IRC) para redes IP en la actualidad. Las estrategias propuestas en este caso son de carácter incremental en el sentido de que interaccionan con BGP, solucionando varias de las carencias que éste presenta sin llegar a proponer aún su reemplazo. - La propuesta de estrategias concurrentes basadas en extender el concepto del PCE (Path Computation Element) proveniente del IETF (Internet Engineering Task Force) para redes IP/MPLS en un futuro cercano. Las estrategias propuestas en este caso son de carácter concurrente en el sentido de que no interaccionan con BGP y pueden ser desplegadas en forma paralela. En este caso, BGP continúa controlando el encaminamiento y las acciones de ingeniería de tráfico inter-dominio del tráfico IP, pero el control del tráfico IP/MPLS se efectúa en forma independiente de BGP mediante los PCEs.- La propuesta de estrategias que reemplazan completamente a BGP basadas en la incorporación de un nuevo agente de control, al cual denominamos IDRA (Inter-Domain Routing Agent). Estos agentes proporcionan un plano de control dedicado, físicamente independiente del plano de datos, y con gran capacidad computacional para las futuras redes ópticas multi-dominio.Los resultados expuestos aquí validan la efectividad de las estrategias propuestas, las cuales mejoran significativamente tanto la concepción como la performance de las actuales soluciones en el área de Control Inteligente de Rutas, del esperado PCE en un futuro cercano, y de las propuestas existentes para extender BGP al área de redes ópticas.One of the most complex problems in computer networks is how to provide guaranteed performance and reliability to the communications carried out between nodes located in different domains. This is due to several reasons -- which will be analyzed in detail in this thesis -- but in brief, this is mostly due to: i) the limited capabilities of the current inter-domain routing model in terms of Traffic Engineering (TE); ii) the distributed and potentially conflicting nature of policy-based routing, where routing policies are managed independently and without coordination among domains; and iii) the clear limitations of the inter-domain routing protocol, namely, the Border Gateway Protocol (BGP). The goal of this thesis is precisely to study and propose solutions allowing to drastically improve the performance and reliability of inter-domain communications. One of the most important tools to achieve this goal, is to control the routing and TE decisions performed by routing domains. Therefore, this thesis explores different strategies on how to control such decisions in a highly efficient and accurate way. At present, this control mostly resides in BGP, but as mentioned above, BGP is in fact one of the main causes of the existing limitations. The natural next-step would be to replace BGP, but the large installed base at present together with its recognized effectiveness in other aspects, are clear indicators that its replacement (or its possible evolution) will probably be gradually put into practice.In this framework, this thesis proposes to to study and contribute with novel strategies to control the routing and TE decisions of domains in three different time frames: i) at present in IP multi-domain networks; ii) in the near-future in IP/MPLS (MultiProtocol Label Switching) multi- domain networks; and iii) in the future optical Internet, modeling in this way a realistic and progressive evolution, facilitating the gradual replacement of BGP.More specifically, the contributions in this thesis can be summarized as follows. - We start by proposing incremental strategies based on Intelligent Route Control (IRC) solutions for IP networks. The strategies proposed in this case are incremental in the sense that they interact with BGP, and tackle several of its well-known limitations. - Then, we propose a set of concurrent route control strategies for MPLS networks, based on broadening the concept of the Path Computation Element (PCE) coming from the IETF (Internet Engineering Task Force). Our strategies are concurrent in the sense that they do not interact directly with BGP, and they can be deployed in parallel. In this case, BGP still controlls the routing and TE actions concerning regular IP-based traffic, but not how IP/MPLS paths are routed and controlled. These are handled independently by the PCEs.- We end with the proposal of a set of route control strategies for multi-domain optical networks, where BGP has been completely replaced. These strategies are supported by the introduction of a new route control element, which we named Inter-Domain Routing Agent (IDRA). These IDRAs provide a dedicated control plane, i.e., physically independent from the data plane, and with high computational capacity for future optical networks.The results obtained validate the effectiveness of the strategies proposed here, and confirm that our proposals significantly improve both the conception and performance of the current IRC solutions, the expected PCE in the near-future, as well as the existing proposals about the optical extension of BGP.Postprint (published version

Integrated IT and SDN Orchestration of multi-domain multi-layer transport networks

Telecom operators networks' management and control remains partitioned by technology, equipment supplier and networking layer. In some segments, the network operations are highly costly due to the need of the individual, and even manual, configuration of the network equipment by highly specialized personnel. In multi-vendor networks, expensive and never ending integration processes between Network Management Systems (NMSs) and the rest of systems (OSSs, BSSs) is a common situation, due to lack of adoption of standard interfaces in the management systems of the different equipment suppliers. Moreover, the increasing impact of the new traffic flows introduced by the deployment of massive Data Centers (DCs) is also imposing new challenges that traditional networking is not ready to overcome. The Fifth Generation of Mobile Technology (5G) is also introducing stringent network requirements such as the need of connecting to the network billions of new devices in IoT paradigm, new ultra-low latency applications (i.e., remote surgery) and vehicular communications. All these new services, together with enhanced broadband network access, are supposed to be delivered over the same network infrastructure. In this PhD Thesis, an holistic view of Network and Cloud Computing resources, based on the recent innovations introduced by Software Defined Networking (SDN), is proposed as the solution for designing an end-to-end multi-layer, multi-technology and multi-domain cloud and transport network management architecture, capable to offer end-to-end services from the DC networks to customers access networks and the virtualization of network resources, allowing new ways of slicing the network resources for the forthcoming 5G deployments. The first contribution of this PhD Thesis deals with the design and validation of SDN based network orchestration architectures capable to improve the current solutions for the management and control of multi-layer, multi-domain backbone transport networks. These problems have been assessed and progressively solved by different control and management architectures which has been designed and evaluated in real evaluation environments. One of the major findings of this work has been the need of developed a common information model for transport network's management, capable to describe the resources and services of multilayer networks. In this line, the Control Orchestration Protocol (COP) has been proposed as a first contriution towards an standard management interface based on the main principles driven by SDN. Furthermore, this PhD Thesis introduces a novel architecture capable to coordinate the management of IT computing resources together with inter- and intra-DC networks. The provisioning and migration of virtual machines together with the dynamic reconfiguration of the network has been successfully demonstrated in a feasible timescale. Moreover, a resource optimization engine is introduced in the architecture to introduce optimization algorithms capable to solve allocation problems such the optimal deployment of Virtual Machine Graphs over different DCs locations minimizing the inter-DC network resources allocation. A baseline blocking probability results over different network loads are also presented. The third major contribution is the result of the previous two. With a converged cloud and network infrastructure controlled and operated jointly, the holistic view of the network allows the on-demand provisioning of network slices consisting of dedicated network and cloud resources over a distributed DC infrastructure interconnected by an optical transport network. The last chapters of this thesis discuss the management and orchestration of 5G slices based over the control and management components designed in the previous chapters. The design of one of the first network slicing architectures and the deployment of a 5G network slice in a real Testbed, is one of the major contributions of this PhD Thesis.La gestión y el control de las redes de los operadores de red (Telcos), todavía hoy, está segmentado por tecnología, por proveedor de equipamiento y por capa de red. En algunos segmentos (por ejemplo en IP) la operación de la red es tremendamente costosa, ya que en muchos casos aún se requiere con guración individual, e incluso manual, de los equipos por parte de personal altamente especializado. En redes con múltiples proveedores, los procesos de integración entre los sistemas de gestión de red (NMS) y el resto de sistemas (p. ej., OSS/BSS) son habitualmente largos y extremadamente costosos debido a la falta de adopción de interfaces estándar por parte de los diferentes proveedores de red. Además, el impacto creciente en las redes de transporte de los nuevos flujos de tráfico introducidos por el despliegue masivo de Data Centers (DC), introduce nuevos desafíos que las arquitecturas de gestión y control de las redes tradicionales no están preparadas para afrontar. La quinta generación de tecnología móvil (5G) introduce nuevos requisitos de red, como la necesidad de conectar a la red billones de dispositivos nuevos (Internet de las cosas - IoT), aplicaciones de ultra baja latencia (p. ej., cirugía a distancia) y las comunicaciones vehiculares. Todos estos servicios, junto con un acceso mejorado a la red de banda ancha, deberán ser proporcionados a través de la misma infraestructura de red. Esta tesis doctoral propone una visión holística de los recursos de red y cloud, basada en los principios introducidos por Software Defined Networking (SDN), como la solución para el diseño de una arquitectura de gestión extremo a extremo (E2E) para escenarios de red multi-capa y multi-dominio, capaz de ofrecer servicios de E2E, desde las redes intra-DC hasta las redes de acceso, y ofrecer ademas virtualización de los recursos de la red, permitiendo nuevas formas de segmentación en las redes de transporte y la infrastructura de cloud, para los próximos despliegues de 5G. La primera contribución de esta tesis consiste en la validación de arquitecturas de orquestración de red, basadas en SDN, para la gestión y control de redes de transporte troncales multi-dominio y multi-capa. Estos problemas (gestion de redes multi-capa y multi-dominio), han sido evaluados de manera incremental, mediante el diseño y la evaluación experimental, en entornos de pruebas reales, de diferentes arquitecturas de control y gestión. Uno de los principales hallazgos de este trabajo ha sido la necesidad de un modelo de información común para las interfaces de gestión entre entidades de control SDN. En esta línea, el Protocolo de Control Orchestration (COP) ha sido propuesto como interfaz de gestión de red estándar para redes SDN de transporte multi-capa. Además, en esta tesis presentamos una arquitectura capaz de coordinar la gestión de los recursos IT y red. La provisión y la migración de máquinas virtuales junto con la reconfiguración dinámica de la red, han sido demostradas con éxito en una escala de tiempo factible. Además, la arquitectura incorpora una plataforma para la ejecución de algoritmos de optimización de recursos capaces de resolver diferentes problemas de asignación, como el despliegue óptimo de Grafos de Máquinas Virtuales (VMG) en diferentes DCs que minimizan la asignación de recursos de red. Esta tesis propone una solución para este problema, que ha sido evaluada en terminos de probabilidad de bloqueo para diferentes cargas de red. La tercera contribución es el resultado de las dos anteriores. La arquitectura integrada de red y cloud presentada permite la creación bajo demanda de "network slices", que consisten en sub-conjuntos de recursos de red y cloud dedicados para diferentes clientes sobre una infraestructura común. El diseño de una de las primeras arquitecturas de "network slicing" y el despliegue de un "slice" de red 5G totalmente operativo en un Testbed real, es una de las principales contribuciones de esta tesis.La gestió i el control de les xarxes dels operadors de telecomunicacions (Telcos), encara avui, està segmentat per tecnologia, per proveïdors d’equipament i per capes de xarxa. En alguns segments (Per exemple en IP) l’operació de la xarxa és tremendament costosa, ja que en molts casos encara es requereix de configuració individual, i fins i tot manual, dels equips per part de personal altament especialitzat. En xarxes amb múltiples proveïdors, els processos d’integració entre els Sistemes de gestió de xarxa (NMS) i la resta de sistemes (per exemple, Sistemes de suport d’operacions - OSS i Sistemes de suport de negocis - BSS) són habitualment interminables i extremadament costosos a causa de la falta d’adopció d’interfícies estàndard per part dels diferents proveïdors de xarxa. A més, l’impacte creixent en les xarxes de transport dels nous fluxos de trànsit introduïts pel desplegament massius de Data Centers (DC), introdueix nous desafiaments que les arquitectures de gestió i control de les xarxes tradicionals que no estan llestes per afrontar. Per acabar de descriure el context, la cinquena generació de tecnologia mòbil (5G) també presenta nous requisits de xarxa altament exigents, com la necessitat de connectar a la xarxa milers de milions de dispositius nous, dins el context de l’Internet de les coses (IOT), o les noves aplicacions d’ultra baixa latència (com ara la cirurgia a distància) i les comunicacions vehiculars. Se suposa que tots aquests nous serveis, juntament amb l’accés millorat a la xarxa de banda ampla, es lliuraran a través de la mateixa infraestructura de xarxa. Aquesta tesi doctoral proposa una visió holística dels recursos de xarxa i cloud, basada en els principis introduïts per Software Defined Networking (SDN), com la solució per al disseny de una arquitectura de gestió extrem a extrem per a escenaris de xarxa multi-capa, multi-domini i consistents en múltiples tecnologies de transport. Aquesta arquitectura de gestió i control de xarxes transport i recursos IT, ha de ser capaç d’oferir serveis d’extrem a extrem, des de les xarxes intra-DC fins a les xarxes d’accés dels clients i oferir a més virtualització dels recursos de la xarxa, obrint la porta a noves formes de segmentació a les xarxes de transport i la infrastructura de cloud, pels propers desplegaments de 5G. La primera contribució d’aquesta tesi doctoral consisteix en la validació de diferents arquitectures d’orquestració de xarxa basades en SDN capaces de millorar les solucions existents per a la gestió i control de xarxes de transport troncals multi-domini i multicapa. Aquests problemes (gestió de xarxes multicapa i multi-domini), han estat avaluats de manera incremental, mitjançant el disseny i l’avaluació experimental, en entorns de proves reals, de diferents arquitectures de control i gestió. Un dels principals troballes d’aquest treball ha estat la necessitat de dissenyar un model d’informació comú per a les interfícies de gestió de xarxes, capaç de descriure els recursos i serveis de la xarxes transport multicapa. En aquesta línia, el Protocol de Control Orchestration (COP, en les seves sigles en anglès) ha estat proposat en aquesta Tesi, com una primera contribució cap a una interfície de gestió de xarxa estàndard basada en els principis bàsics de SDN. A més, en aquesta tesi presentem una arquitectura innovadora capaç de coordinar la gestió de els recursos IT juntament amb les xarxes inter i intra-DC. L’aprovisionament i la migració de màquines virtuals juntament amb la reconfiguració dinàmica de la xarxa, ha estat demostrat amb èxit en una escala de temps factible. A més, l’arquitectura incorpora una plataforma per a l’execució d’algorismes d’optimització de recursos, capaços de resoldre diferents problemes d’assignació, com el desplegament òptim de Grafs de Màquines Virtuals (VMG) en diferents ubicacions de DC que minimitzen la assignació de recursos de xarxa entre DC. També es presenta una solució bàsica per a aquest problema, així com els resultats de probabilitat de bloqueig per a diferents càrregues de xarxa. La tercera contribució principal és el resultat dels dos anteriors. Amb una infraestructura de xarxa i cloud convergent, controlada i operada de manera conjunta, la visió holística de la xarxa permet l’aprovisionament sota demanda de "network slices" que consisteixen en subconjunts de recursos d’xarxa i cloud, dedicats per a diferents clients, sobre una infraestructura de Data Centers distribuïda i interconnectada per una xarxa de transport òptica. Els últims capítols d’aquesta tesi tracten sobre la gestió i organització de "network slices" per a xarxes 5G en funció dels components de control i administració dissenyats i desenvolupats en els capítols anteriors. El disseny d’una de les primeres arquitectures de "network slicing" i el desplegament d’un "slice" de xarxa 5G totalment operatiu en un Testbed real, és una de les principals contribucions d’aquesta tesi.Postprint (published version

Transport API development and validation for the Netphony environment

This final degree project contributes to the development and implementation of the connectivity service and the topology service of the Transport API (T-API) in the set of Netphony modules, developed by Telefónica I + D, and then the validation of that. Netphony follows an Application-Based Network Operations (ABNO) architecture which can be defined as an architecture based on collaboration between different elements, for automation processes in the management of a network , as configuration of LSP routes, which makes the network more scalable and dynamic, where the main elements are the ABNO controller and the PCE. This is the purpose with software defined networks (SDN), to achieve a fully programmable network and the ability to modify any demand of the network automatically. Validation and performance tests with the Netphony controller have been performed in a GMPLS nodes emulated environment, with OSPF and RSVP to carry out the configuration of the LSPs between the nodes, thus conforming the emulated environment of Netphony GMPLS. The T-API standard meets the requirements to become the NBI (North Bound interface) of the Netphony. The main characteristics of this standard is its simplicity and usability to extend it in different types of transport networks. This work focuses on the implementation for optical networks. Documentation of the technologies used and the current state of the same is the first part of this work, to then present how the T-API has been integrated into the Netphony controller, use cases and definition of the validation tests. Finally, the implemented code has been compiled, the creation of LSPs has been configured and a performance evaluation has been carried out

Modular architecture providing convergent and ubiquitous intelligent connectivity for networks beyond 2030

The transition of the networks to support forthcoming beyond 5G (B5G) and 6G services introduces a number of important architectural challenges that force an evolution of existing operational frameworks. Current networks have introduced technical paradigms such as network virtualization, programmability and slicing, being a trend known as network softwarization. Forthcoming B5G and 6G services imposing stringent requirements will motivate a new radical change, augmenting those paradigms with the idea of smartness, pursuing an overall optimization on the usage of network and compute resources in a zero-trust environment. This paper presents a modular architecture under the concept of Convergent and UBiquitous Intelligent Connectivity (CUBIC), conceived to facilitate the aforementioned transition. CUBIC intends to investigate and innovate on the usage, combination and development of novel technologies to accompany the migration of existing networks towards Convergent and Ubiquitous Intelligent Connectivity (CUBIC) solutions, leveraging Artificial Intelligence (AI) mechanisms and Machine Learning (ML) tools in a totally secure environment