Architectures and protocols for sub-wavelength optical networks: contributions to connectionless and connection-oriented data transport

La ràpida evolució d’Internet i l’àmplia gamma de noves aplicacions (per exemple, multimèdia, videoconferència, jocs en línia, etc.) ha fomentat canvis revolucionaris en la manera com ens comuniquem. A més, algunes d’aquestes aplicacions demanden grans quantitats de recursos d’ample de banda amb diversos requeriments de qualitat de servei (QoS). El desenvolupament de la multiplexació per divisió de longitud d’ona (WDM) en els anys noranta va fer molt rendible la disponibilitat d’ample de banda. Avui dia, les tecnologies de commutació òptica de circuits són predominants en el nucli de la xarxa, les quals permeten la configuració de canals (lightpaths) a través de la xarxa. No obstant això, la granularitat d’aquests canals ocupa tota la longitud d’ona, el que fa que siguin ineficients per a proveir canals de menor ample de banda (sub-longitud d’ona). Segons la comunitat científica, és necessari augmentar la transparència dels protocols, així com millorar l’aprovisionament d’ample de banda de forma dinàmica. Per tal de fer això realitat, és necessari desenvolupar noves arquitectures. La commutació òptica de ràfegues i de paquets (OBS/OPS), són dues de les tecnologies proposades. Aquesta tesi contribueix amb tres arquitectures de xarxa destinades a millorar el transport de dades sub-longitud d’ona. En primer lloc, aprofundim en la naturalesa sense connexió en OBS. En aquest cas, la xarxa incrementa el seu dinamisme a causa de les transmissions a ràfega. A més, les col·lisions entre ràfegues degraden el rendiment de la xarxa fins i tot a càrregues molt baixes. Per fer front a aquestes col·lisions, es proposa un esquema de resolució de col·lisions pro actiu basat en un algorisme d’encaminament i assignació de longitud d’ona (RWA) que balanceja de forma automàtica i distribuïda la càrrega en la xarxa. En aquest protocol, el RWA i la transmissió de ràfegues es basen en l’explotació i exploració de regles de commutació que incorporen informació sobre contencions i encaminament. Per donar suport a aquesta arquitectura, s’utilitzen dos tipus de paquets de control per a l’encaminament de les ràfegues i l’actualització de les regles de commutació, respectivament. Per analitzar els beneficis del nou algorisme, s’utilitzen quatre topologies de xarxa diferents. Els resultats indiquen que el mètode proposat millora en diferents marges la resta d’algorismes RWA en funció de la topologia i sense penalitzar altres paràmetres com el retard extrem a extrem. La segona contribució proposa una arquitectura híbrida sense i orientada a connexió sobre la base d’un protocol de control d’accés al medi (MAC) per a xarxes OBS (DAOBS). El MAC ofereix dos mètodes d’accés: arbitratge de cua (QA) per a la transmissió de ràfegues sense connexió, i pre-arbitratge (PA) per serveis TDM orientats a connexió. Aquesta arquitectura permet una àmplia gamma d’aplicacions sensibles al retard i al bloqueig. Els resultats avaluats a través de simulacions mostren que en l’accés QA, les ràfegues de més alta prioritat tenen garantides zero pèrdues i latències d’accés molt baixes. Pel que fa a l’accés PA, es reporta que la duplicació de la càrrega TDM augmenta en més d’un ordre la probabilitat de bloqueig, però sense afectar en la mateixa mesura les ràfegues sense connexió. En aquest capítol també es tracten dos dels problemes relacionats amb l’arquitectura DAOBS i el seu funcionament. En primer lloc, es proposa un model matemàtic per aproximar el retard d’accés inferior i superior com a conseqüència de l’accés QA. En segon lloc, es formula matemàticament la generació i optimització de les topologies virtuals que suporten el protocol per a l’escenari amb tràfic estàtic. Finalment, l’última contribució explora els beneficis d’una arquitectura de xarxa òptica per temps compartit (TSON) basada en elements de càlcul de camins (PCE) centralitzats per tal d’evitar col·lisions en la xarxa. Aquesta arquitectura permet garantir l’aprovisionament orientat a connexió de canals sub-longitud d’ona. En aquest capítol proposem i simulem tres arquitectures GMPLS/PCE/TSON. A causa del enfocament centralitzat, el rendiment de la xarxa depèn en gran mesura de l’assignació i aprovisionament de les connexions. Amb aquesta finalitat, es proposen diferents algorismes d’assignació de ranures temporals i es comparen amb les corresponents formulacions de programació lineal (ILP) per al cas estàtic. Per al cas de tràfic dinàmic, proposem i avaluem mitjançant simulació diferents heurístiques. Els resultats mostren els beneficis de proporcionar flexibilitat en els dominis temporal i freqüencial a l’hora d’assignar les ranures temporals.The rapid evolving Internet and the broad range of new data applications (e.g., multimedia, video-conference, online gaming, etc.) is fostering revolutionary changes in the way we communicate. In addition, some of these applications demand for unprecedented amounts of bandwidth resources with diverse quality of service (QoS). The development of wavelength division multiplexing (WDM) in the 90's made very cost-effective the availability of bandwidth. Nowadays, optical circuit switching technologies are predominant in the core enabling the set up of lightpaths across the network. However, full-wavelength lightpath granularity is too coarse, which results to be inefficient for provisioning sub-wavelength channels. As remarked by the research community, an open issue in optical networking is increasing the protocol transparency as well as provisioning true dynamic bandwidth allocation at the network level. To this end, new architectures are required. Optical burst/packet switching (OBS/OPS) are two such proposed technologies under investigation. This thesis contributes with three network architectures which aim at improving the sub-wavelength data transport from different perspectives. First, we gain insight into the connectionless nature of OBS. Here, the network dynamics are increased due to the short-lived burst transmissions. Moreover, burst contentions degrade the performance even at very low loads. To cope with them, we propose a proactive resolution scheme by means of a distributed auto load-balancing routing and wavelength assignment (RWA) algorithm for wavelength-continuity constraint networks. In this protocol, the RWA and burst forwarding is based on the exploitation and exploration of switching rule concentration values that incorporate contention and forwarding desirability information. To support such architecture, forward and backward control packets are used in the burst forwarding and updating rules, respectively. In order to analyze the benefits of the new algorithm, four different network topologies are used. Results indicate that the proposed method outperforms the rest of tested RWA algorithms at various margins depending on the topology without penalizing other parameters such as end-to-end delay. The second contribution proposes a hybrid connectionless and connection-oriented architecture based on a medium access control (MAC) protocol for OBS networks (DAOBS). The MAC provides two main access mechanisms: queue arbitrated (QA) for connectionless bursts and pre-arbitrated (PA) for TDM connection-oriented services. Such an architecture allows for a broad range of delay-sensitive applications or guaranteed services. Results evaluated through simulations show that in the QA access mode highest priority bursts are guaranteed zero losses and very low access latencies. Regarding the PA mode, we report that doubling the offered TDM traffic load increases in more than one order their connection blocking, slightly affecting the blocking of other connectionless bursts. In this chapter, we also tackle two of the issues related with the DAOBS architecture and its operation. Firstly, we model mathematically the lower and upper approximations of the access delay as a consequence of the connectionless queue arbitrated access. Secondly, we formulate the generation of the virtual light-tree overlay topology for the static traffic case.Postprint (published version

An ant-based algorithm for distributed routing and wavelength assignment in dynamic optical networks

Future optical communication networks are expected to change radically during the next decade. To meet the demanded bandwidth requirements, more dynamism, scalability and automatism will need to be provided. This will also require addressing issues such as the design of highly distributed control plane systems and their associated algorithms to respond to network changes very rapidly. In this work, we propose the use of an ant colony optimization (ACO) algorithm to solve the intrinsic problem of the routing and wavelength assignment (RWA) on wavelength continuity constraint optical networks. The main advantage of the protocol is its distributed nature, which provides higher survivability to network failures or traffic congestion. The protocol has been applied to a specific type of future optical network based on the optical switching of bursts. It has been evaluated through extensive simulations with very promising results, particularly on highly congested scenarios where the load balancing capabilities of the protocol become especially efficient. Results on a partially meshed network like NSFNET show that the ant-based protocol outperforms other RWA algorithms under test in terms of blocking probability without worsening other metrics such as mean route length.Peer ReviewedPostprint (published version

Multi-Granular Optical Cross-Connect: Design, Analysis, and Demonstration

A fundamental issue in all-optical switching is to offer efficient and cost-effective transport services for a wide range of bandwidth granularities. This paper presents multi-granular optical cross-connect (MG-OXC) architectures that combine slow (ms regime) and fast (ns regime) switch elements, in order to support optical circuit switching (OCS), optical burst switching (OBS), and even optical packet switching (OPS). The MG-OXC architectures are designed to provide a cost-effective approach, while offering the flexibility and reconfigurability to deal with dynamic requirements of different applications. All proposed MG-OXC designs are analyzed and compared in terms of dimensionality, flexibility/reconfigurability, and scalability. Furthermore, node level simulations are conducted to evaluate the performance of MG-OXCs under different traffic regimes. Finally, the feasibility of the proposed architectures is demonstrated on an application-aware, multi-bit-rate (10 and 40 Gbps), end-to-end OBS testbed

Dynamic routing and load balancing in IP-over-WDM networks

Master'sMASTER OF ENGINEERIN

Optical performance monitoring in optical packet-switched networks

Para poder satisfacer la demanda de mayores anchos de banda y los requisitos de los nuevos servicios, se espera que se produzca una evolución de las redes ópticas hacia arquitecturas reconfigurables dinámicamente. Esta evolución subraya la importancia de ofrecer soluciones en la que la escalabilidad y la flexibilidad sean las principales directrices. De acuerdo a estas características, las redes ópticas de conmutación de paquetes (OPS) proporcionan altas capacidades de transmisión, eficiencia en ancho de banda y excelente flexibilidad, además de permitir el procesado de los paquetes directamente en la capa óptica. En este escenario, la solución all-optical label switching (AOLS) resuelve el cuello de botella impuesto por los nodos que realizan el procesado en el dominio eléctrico. A pesar de los progresos en el campo del networking óptico, las redes totalmente ópticas todavía se consideran una solución lejana . Por tanto, es importante desarrollar un escenario de migración factible y gradual desde las actuales redes ópticas basadas en la conmutación de circuitos (OCS). Uno de los objetivos de esta tesis se centra en la propuesta de escenarios de migración basados en redes híbridas que combinan diferentes tecnologías de conmutación. Además, se analiza la arquitectura de una red OPS compuesta de nodos que incorporan nuevas funcionalidades relacionadas con labores de monitorización y esquemas de recuperación. Las redes ópticas permiten mejorar la transparencia de la red, pero a costa de aumentar la complejidad de las tareas de gesión. En este escenario, la monitorización óptica de prestaciones (OPM) surge como una tecnología capaz de facilitar la administración de las redes OPS, en las que cada paquete sigue su propia ruta en la red y sufre un diferente nivel de degradación al llegar a su destino. Aquí reside la importancia de OPM para garantizar los requisitos de calidad de cada paquete.Vilar Mateo, R. (2010). Optical performance monitoring in optical packet-switched networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8926Palanci

Schemes for building an efficient all-optical virtual private network.

by Tam Scott Kin Lun.Thesis submitted in: October 2005.Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2006.Includes bibliographical references (leaves 58-64).Abstracts in English and Chinese.Chapter 1. --- Introduction --- p.1Chapter 1.1. --- Optical Networks --- p.1Chapter 1.1.1. --- IP over Optical Networks --- p.1Chapter 1.1.2. --- Challenges in Optical Networks --- p.4Chapter 1.2. --- Virtual Private Networks (VPN) --- p.5Chapter 1.2.1. --- CE Based VPN --- p.6Chapter 1.2.2. --- Network Based VPN --- p.7Chapter 1.2.2.1. --- MPLS Layer 2 VPN --- p.8Chapter 1.2.2.2. --- MPLS Layer 3 VPN --- p.9Chapter 1.2.3. --- Optical VPN --- p.9Chapter 1.2.4. --- Challenges in VPN Technologies --- p.11Chapter 1.3. --- Objective of this Thesis --- p.11Chapter 1.4. --- Outline of this Thesis --- p.12Chapter 2. --- Architecture of an All-Optical VPN --- p.13Chapter 2.1. --- Introduction --- p.13Chapter 2.2. --- Networking Vendor Activities --- p.13Chapter 2.3. --- Service Provider Activities --- p.15Chapter 2.4. --- Standard Bodies Activities --- p.16Chapter 2.5. --- Requirements for All-Optical VPN --- p.17Chapter 2.6. --- Reconfigurability of an All-Optical VPN --- p.19Chapter 2.7. --- Switching Methods in All-Optical VPN --- p.20Chapter 2.8. --- Survivability of an All-Optical VPN --- p.23Chapter 3. --- Maximizing the Utilization Of A Survivable Multi-Ring WDM Network --- p.25Chapter 3.1. --- Introduction --- p.25Chapter 3.2. --- Background --- p.25Chapter 3.3. --- Method --- p.26Chapter 3.3.1. --- Effect on packet based services --- p.28Chapter 3.3.2. --- Effect on optical circuit based services --- p.28Chapter 3.4. --- Simulation results --- p.29Chapter 3.5. --- Chapter Summary --- p.36Chapter 4. --- Design of an All-Optical VPN Processing Engine --- p.37Chapter 4.1. --- Introduction --- p.37Chapter 4.2. --- Concepts of Optical Processors --- p.38Chapter 4.3. --- Design Principles of the All-Optical VPN Processing Engine --- p.40Chapter 4.3.1. --- Systolic System --- p.41Chapter 4.3.2. --- Design Considerations of an Optical Processing Cell --- p.42Chapter 4.3.2.1. --- Mach-Zehnder Structures --- p.43Chapter 4.3.2.2. --- Vertical Cavity Semiconductor Optical Amplifier --- p.43Chapter 4.3.2.3. --- The Optical Processing Cell --- p.44Chapter 4.3.3. --- All-Optical VPN Processing Engine --- p.47Chapter 4.4. --- Design Evaluation --- p.49Chapter 4.5. --- Application Example --- p.50Chapter 4.6. --- Chapter Summary --- p.54Chapter 5. --- Conclusion --- p.55Chapter 5.1. --- Summary of the Thesis --- p.55Chapter 5.2. --- Future Works --- p.56Chapter 6. --- References --- p.5