Orchestrating datacenters and networks to facilitate the telecom cloud

In the Internet of services, information technology (IT) infrastructure providers play a critical role in making the services accessible to end-users. IT infrastructure providers host platforms and services in their datacenters (DCs). The cloud initiative has been accompanied by the introduction of new computing paradigms, such as Infrastructure as a Service (IaaS) and Software as a Service (SaaS), which have dramatically reduced the time and costs required to develop and deploy a service. However, transport networks become crucial to make services accessible to the user and to operate DCs. Transport networks are currently configured with big static fat pipes based on capacity over-provisioning aiming at guaranteeing traffic demand and other parameters committed in Service Level Agreement (SLA) contracts. Notwithstanding, such over-dimensioning adds high operational costs for DC operators and service providers. Therefore, new mechanisms to provide reconfiguration and adaptability of the transport network to reduce the amount of over-provisioned bandwidth are required. Although cloud-ready transport network architecture was introduced to handle the dynamic cloud and network interaction and Elastic Optical Networks (EONs) can facilitate elastic network operations, orchestration between the cloud and the interconnection network is eventually required to coordinate resources in both strata in a coherent manner. In addition, the explosion of Internet Protocol (IP)-based services requiring not only dynamic cloud and network interaction, but also additional service-specific SLA parameters and the expected benefits of Network Functions Virtualization (NFV), open the opportunity to telecom operators to exploit that cloud-ready transport network and their current infrastructure, to efficiently satisfy network requirements from the services. In the telecom cloud, a pay-per-use model can be offered to support services requiring resources from the transport network and its infrastructure. In this thesis, we study connectivity requirements from representative cloud-based services and explore connectivity models, architectures and orchestration schemes to satisfy them aiming at facilitating the telecom cloud. The main objective of this thesis is demonstrating, by means of analytical models and simulation, the viability of orchestrating DCs and networks to facilitate the telecom cloud. To achieve the main goal we first study the connectivity requirements for DC interconnection and services on a number of scenarios that require connectivity from the transport network. Specifically, we focus on studying DC federations, live-TV distribution, and 5G mobile networks. Next, we study different connectivity schemes, algorithms, and architectures aiming at satisfying those connectivity requirements. In particular, we study polling-based models for dynamic inter-DC connectivity and propose a novel notification-based connectivity scheme where inter-DC connectivity can be delegated to the network operator. Additionally, we explore virtual network topology provisioning models to support services that require service-specific SLA parameters on the telecom cloud. Finally, we focus on studying DC and network orchestration to fulfill simultaneously SLA contracts for a set of customers requiring connectivity from the transport network.En la Internet de los servicios, los proveedores de recursos relacionados con tecnologías de la información juegan un papel crítico haciéndolos accesibles a los usuarios como servicios. Dichos proveedores, hospedan plataformas y servicios en centros de datos. La oferta plataformas y servicios en la nube ha introducido nuevos paradigmas de computación tales como ofrecer la infraestructura como servicio, conocido como IaaS de sus siglas en inglés, y el software como servicio, SaaS. La disponibilidad de recursos en la nube, ha contribuido a la reducción de tiempos y costes para desarrollar y desplegar un servicio. Sin embargo, para permitir el acceso de los usuarios a los servicios así como para operar los centros de datos, las redes de transporte resultan imprescindibles. Actualmente, las redes de transporte están configuradas con conexiones estáticas y su capacidad sobredimensionada para garantizar la demanda de tráfico así como los distintos parámetros relacionados con el nivel de servicio acordado. No obstante, debido a que el exceso de capacidad en las conexiones se traduce en un elevado coste tanto para los operadores de los centros de datos como para los proveedores de servicios, son necesarios nuevos mecanismos que permitan adaptar y reconfigurar la red de forma eficiente de acuerdo a las nuevas necesidades de los servicios a los que dan soporte. A pesar de la introducción de arquitecturas que permiten la gestión de redes de transporte y su interacción con los servicios en la nube de forma dinámica, y de la irrupción de las redes ópticas elásticas, la orquestación entre la nube y la red es necesaria para coordinar de forma coherente los recursos en los distintos estratos. Además, la explosión de servicios basados el Protocolo de Internet, IP, que requieren tanto interacción dinámica con la red como parámetros particulares en los niveles de servicio además de los habituales, así como los beneficios que se esperan de la virtualización de funciones de red, representan una oportunidad para los operadores de red para explotar sus recursos y su infraestructura. La nube de operador permite ofrecer recursos del operador de red a los servicios, de forma similar a un sistema basado en pago por uso. En esta Tesis, se estudian requisitos de conectividad de servicios basados en la nube y se exploran modelos de conectividad, arquitecturas y modelos de orquestación que contribuyan a la realización de la nube de operador. El objetivo principal de esta Tesis es demostrar la viabilidad de la orquestación de centros de datos y redes para facilitar la nube de operador, mediante modelos analíticos y simulaciones. Con el fin de cumplir dicho objetivo, primero estudiamos los requisitos de conectividad para la interconexión de centros de datos y servicios en distintos escenarios que requieren conectividad en la red de transporte. En particular, nos centramos en el estudio de escenarios basados en federaciones de centros de datos, distribución de televisión en directo y la evolución de las redes móviles hacia 5G. A continuación, estudiamos distintos modelos de conectividad, algoritmos y arquitecturas para satisfacer los requisitos de conectividad. Estudiamos modelos de conectividad basados en sondeos para la interconexión de centros de datos y proponemos un modelo basado en notificaciones donde la gestión de la conectividad entre centros de datos se delega al operador de red. Estudiamos la provisión de redes virtuales para soportar en la nube de operador servicios que requieren parámetros específicos en los acuerdos de nivel de servicio además de los habituales. Finalmente, nos centramos en el estudio de la orquestación de centros de datos y redes con el objetivo de satisfacer de forma simultánea requisitos para distintos servicios.Postprint (published version

Design, monitoring and performance evaluation of high capacity optical networks

Premi Extraordinari de Doctorat, promoció 2018-2019. Àmbit de les TICInternet traffic is expected to keep increasing exponentially due to the emergence of a vast number of innovative online services and applications. Optical networks, which are the cornerstone of the underlying Internet infrastructure, have been continuously evolving to carry the ever-increasing traffic in a more flexible, cost-effective, and intelligent way. Having these three targets in mind, this PhD thesis focuses on two general areas for the performance improvement and the evolution of optical networks: i) introducing further cognition to the optical layer, and ii) introducing new networking solutions revolutionizing the optical transport infrastructure. In the first part, we present novel failure detection and identification solutions in the optical layer utilizing the optical spectrum traces captured by cost-effective coarse-granular Optical Spectrum Analyzers (OSA). We demonstrate the effectiveness of the developed solutions for detecting and identifying filter-related failures in the context of Spectrum-Switched Optical Networks (SSON), as well as transmitter-related laser failures in Filter-less Optical Networks (FON). In addition, at the subsystem level we propose an Autonomic Transmission Agent (ATA), which triggers local or remote transceiver reconfiguration by predicting Bit-Error-Rate (BER) degradation by monitoring State-of-Polarization (SOP) data obtained by coherent receivers. I have developed solutions to push further the performance of the currently deployed optical networks through reducing the margins and introducing intelligence to better manage their resources. However, it is expected that the spectral efficiency of the current standard Single-Mode Fiber (SMF) based optical network approaches the Shannon capacity limits in the near future, and therefore, a new paradigm is required to keep with the pace of the current huge traffic increase. In this regard, Space Division Multiplexing (SDM) is proposed as the ultimate solution to address the looming capacity crunch with a reduced cost-per-bit delivered to the end-users. I devote the second part of this thesis to investigate different flavors of SDM based optical networks with the aim of finding the best compromise for the realization of a spectrally and spatially flexible optical network. SDM-based optical networks can be deployed over various types of transmission media. Additionally, due to the extra dimension (i.e., space) introduced in SDM networks, optical switching nodes can support wavelength granularity, space granularity, or a combination of both. In this thesis, we evaluate the impact of various spectral and spatial switching granularities on the performance of SDM-based optical networks serving different profiles of traffic with the aim of understanding the impact of switching constraints on the overall network performance. In this regard, we consider two different generations of wavelength selective switches (WSS) to reflect the technology limitations on the performance of SDM networks. In addition, we present different designs of colorless direction-less, and Colorless Directionless Contention-less (CDC) Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers (ROADM) realizing SDM switching schemes and compare their performance in terms of complexity and implementation cost. Furthermore, with the aim of revealing the benefits and drawbacks of SDM networks over different types of transmission media, we preset a QoT-aware network planning toolbox and perform comparative performance analysis among SDM network based on various types of transmission media. We also analyze the power consumption of Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Digital Signal Processing (DSP) units of transceivers operating over three different types of transmission media. The results obtained in the second part of the thesis provide a comprehensive outlook to different realizations of SDM-based optical networks and showcases the benefits and drawbacks of different SDM realizations.Se espera que el tráfico de Internet siga aumentando exponencialmente debido a la continua aparición de gran cantidad de aplicaciones innovadoras. Las redes ópticas, que son la piedra angular de la infraestructura de Internet, han evolucionado continuamente para transportar el tráfico cada vez mayor de una manera más flexible, rentable e inteligente. Teniendo en cuenta estos tres objetivos, esta tesis doctoral se centra en dos áreas cruciales para la mejora del rendimiento y la evolución de las redes ópticas: i) introducción de funcionalidades cognitivas en la capa óptica, y ii) introducción de nuevas estructuras de red que revolucionarán el transporte óptico. En la primera parte, se presentan soluciones novedosas de detección e identificación de fallos en la capa óptica que utilizan trazas de espectro óptico obtenidas mediante analizadores de espectros ópticos (OSA) de baja resolución (y por tanto de coste reducido). Se demuestra la efectividad de las soluciones desarrolladas para detectar e identificar fallos derivados del filtrado imperfecto en las redes ópticas de conmutación de espectro (SSON), así como fallos relacionados con el láser transmisor en redes ópticas sin filtro (FON). Además, a nivel de subsistema, se propone un Agente de Transmisión Autónomo (ATA), que activa la reconfiguración del transceptor local o remoto al predecir la degradación de la Tasa de Error por Bits (BER), monitorizando el Estado de Polarización (SOP) de la señal recibida en un receptor coherente. Se han desarrollado soluciones para incrementar el rendimiento de las redes ópticas mediante la reducción de los márgenes y la introducción de inteligencia en la administración de los recursos de la red. Sin embargo, se espera que la eficiencia espectral de las redes ópticas basadas en fibras monomodo (SMF) se acerque al límite de capacidad de Shannon en un futuro próximo, y por tanto, se requiere un nuevo paradigma que permita mantener el crecimiento necesario para soportar el futuro aumento del tráfico. En este sentido, se propone el Multiplexado por División Espacial (SDM) como la solución que permita la continua reducción del coste por bit transmitido ante ése esperado crecimiento del tráfico. En la segunda parte de esta tesis se investigan diferentes tipos de redes ópticas basadas en SDM con el objetivo de encontrar soluciones para la realización de redes ópticas espectral y espacialmente flexibles. Las redes ópticas basadas en SDM se pueden implementar utilizando diversos tipos de medios de transmisión. Además, debido a la dimensión adicional (el espacio) introducida en las redes SDM, los nodos de conmutación óptica pueden conmutar longitudes de onda, fibras o una combinación de ambas. Se evalúa el impacto de la conmutación espectral y espacial en el rendimiento de las redes SDM bajo diferentes perfiles de tráfico ofrecido, con el objetivo de comprender el impacto de las restricciones de conmutación en el rendimiento de la red. En este sentido, se consideran dos generaciones diferentes de conmutadores selectivos de longitud de onda (WSS) para reflejar las limitaciones de la tecnología en el rendimiento de las redes SDM. Además, se presentan diferentes diseños de ROADM, independientes de la longitud de onda, de la dirección, y sin contención (CDC) utilizados para la conmutación SDM, y se compara su rendimiento en términos de complejidad y coste. Además, con el objetivo de cuantificar los beneficios e inconvenientes de las redes SDM, se ha generado una herramienta de planificación de red que prevé la QoT usando diferentes tipos de fibras. También se analiza el consumo de energía de las unidades DSP de los transceptores MIMO operando en redes SDM con tres tipos diferentes de medios de transmisión. Los resultados obtenidos en esta segunda parte de la tesis proporcionan una perspectiva integral de las redes SDM y muestran los beneficios e inconvenientes de sus diferentes implementacionesAward-winningPostprint (published version