Survivable Virtual Network Redesign and Embedding in Cloud Data Center Networks

Today, the cloud computing paradigm enables multiple virtualized services to co- exist on the same physical machine and share the same physical resources, hard- ware, as well as energy consumption expenses. To allow cloud customers migrate their services on to the cloud side, the Infrastructure Provider (InP) or cloud data centre operator provisions to its tenants virtual networks (VNs) to host their services. Virtual Networks can be thought of as segmenting the physical net- work and its resources, and such VN requests (or tenants) need to be mapped onto the substrate network and provisioned with sufficient physical resources as per the users’ requirements. With this emerging computing paradigm, cloud cus- tomers may demand to have highly reliable services for the hosted applications; however, failures often happen unexpectedly in data-centers, interrupting critical cloud services. Consequently, VN or cloud services are provisioned with redun- dant resources to achieve the demanded level of service reliability. To maintain a profitable operation of their network and resources, and thus achieve increased long term revenues, cloud network operators often rely on optimizing the map- ping of reliable cloud services. Such problem is referred to as in the literature as “Survivable Virtual Network Embedding (SVNE) ” problem. In this thesis, the survivable VN embedding problem is studied and a novel cost-efficient Survivable Virtual Network Redesign algorithm is carefully designed, presented, and evalu- ated. Subsequently, we distinguish between the communication services provided by the cloud provider and study the problem of survivable embedding of multicast services; we formally model the problem, and present two algorithms to reactively maintain multicast trees in cloud data centers upon failures

Satellite integration in 5G : contribution on network architectures and traffic engineering solutions for hybrid satellite-terrestrial mobile backhauling

The recent technological advances in the satellite domain such as the use of High Throughput Satellites (HTS) with throughput rates that are magnitudes higher than with previous ones, or the use of large non- Geostationary Earth Orbit (GEO) satellites constellations, etc, are reducing the price per bit and enhancing the Quality of Service (QoS) metrics such as latency, etc., changing the way that the capacity is being brought to the market and making it more attractive for other services such as satellite broadband communications. These new capabilities coupled with the advantages offered by satellite communications such as the unique wide-scale geographical coverage, inherent broadcast/multicast capabilities and highly reliable connectivity, anticipate new opportunities for the integration of the satellite component into the 5G ecosystem. One of the most compelling scenarios is mobile backhauling, where satellite capacity can be used to complement the terrestrial backhauling infrastructure, not only in hard to reach areas, but also for more efficient traffic delivery to Radio Access Network (RAN) nodes, increased resiliency and better support for fast, temporary cell deployments and moving cells. In this context, this thesis work focuses on achieving better satellite-terrestrial backhaul network integration through the development of Traffic Engineering (TE) strategies to manage in a better way the dynamically steerable satellite provisioned capacity. To do this, this thesis work first takes the steps in the definition of an architectural framework that enables a better satellite-terrestrial mobile backhaul network integration, managing the satellite capacity as a constituent part of a Software Defined Networking (SDN) -based TE for mobile backhaul network. Under this basis, this thesis work first proposes and assesses a model for the analysis of capacity and traffic management strategies for hybrid satellite-terrestrial mobile backhauling networks that rely on SDN for fine-grained traffic steering. The performance analysis is carried out in terms of capacity gains that can be achieved when the satellite backhaul capacity is used for traffic overflow, taking into account the placement of the satellite capacity at different traffic aggregation levels and considering a spatial correlation of the traffic demand. Later, the thesis work presents the development of SDN-based TE strategies and algorithms that exploits the dynamically steerable satellite capacity provisioned for resilience purposes to better utilize the satellite capacity by maximizing the network utility under both failure and non-failure conditions in some terrestrial links, under the consideration of elastic, inelastic and unicast and multicast traffic. The performance analysis is carried out in terms of global network utility, fairness and connexion rejection rates compared to non SDN-based TE applications. Finally, sustained in the defined architectural framework designs, the thesis work presents an experimental Proof of Concept (PoC) and validation of a satellite-terrestrial backhaul links integration solution that builts upon SDN technologies for the realization of End-to-End (E2E) TE applications in mobile backhauling networks with a satellite component, assessing the feasibility of the proposed SDN-based integration solution under a practical laboratory setting that combines the use of commercial, experimentation-oriented and emulation equipment and software.Los recientes avances tecnológicos en el dominio de los satélites, como el uso de satélites de alto rendimiento (HTS) con tasas de rendimiento que son magnitudes más altas que los anteriores, o el uso de grandes constelaciones de satélites de órbita no geoestacionaria (GEO), etc. están reduciendo el precio por bit y mejorando las métricas de Calidad de Servicio (QoS) como la latencia, etc., cambiando la forma en que la capacidad se está llevando al mercado, y haciéndola más atractiva para otros servicios como las comunicaciones de banda ancha por satélite. Estas nuevas capacidades, junto con las ventajas ofrecidas por las comunicaciones por satélite, como la cobertura geográfica a gran escala, las inherentes capacidades de difusión / multidifusión y la conectividad altamente confiable, anticipan nuevas oportunidades para la integración de la componente satelital al ecosistema 5G. Uno de los escenarios más atractivos es el backhauling móvil, donde la capacidad del satélite se puede usar para complementar la infraestructura de backhauling terrestre, no solo en áreas de difícil acceso, sino también para la entrega de tráfico de manera más eficiente a los nodos de la Red de Acceso (RAN), una mayor resiliencia y mejor soporte para implementaciones rápidas y temporales de células, así como células en movimiento. En este contexto, este trabajo de tesis se centra en lograr una mejor integración de la red híbrida de backhaul satélital-terrestre, a través del desarrollo de estrategias de ingeniería de tráfico (TE) para gestionar de una mejor manera la capacidad dinámicamente orientable del satélite. Para hacer esto, este trabajo de tesis primero toma los pasos en la definición de un marco de arquitectura que permite una mejor integración de una red híbrida satelital-terrestre de backhaul móvil, gestionando la capacidad del satélite como parte constitutiva de un TE basado en Software Defined Networking (SDN). Bajo esta base, este trabajo de tesis primero propone y evalúa un modelo para el análisis de la capacidad y las estrategias de gestión del tráfico para redes híbridas satelital-terrestre de backhaul móvil basadas en SDN para la dirección de tráfico. El análisis de rendimiento se lleva a cabo en términos de aumento de capacidad que se puede lograr cuando la capacidad de la red de backhaul por satélite se utiliza para el desborde de tráfico, teniendo en cuenta la ubicación de la capacidad del satélite en diferentes niveles de agregación de tráfico y considerando una correlación espacial de la demanda de tráfico. Posteriormente, el trabajo de tesis presenta el desarrollo de estrategias y algoritmos de TE basados en SDN que explotan la capacidad dinámicamente orientable del satelite, provista con fines de resiliencia para utilizar de mejor manera la capacidad satelital al maximizar la utilidad de red en condiciones de falla y no falla en algunos enlaces terrestres, y bajo la consideración de tráfico elástico, inelástico y de unidifusión y multidifusión. El análisis de rendimiento se lleva a cabo en términos de tasas de rechazo, de utilidad, y equidad en comparación con las aplicaciones de TE no basadas en SDN. Finalmente, basado en la definición del diseño de marco de arquitectura, el trabajo de tesis presenta una Prueba de concepto (PoC) experimental y la validación de una solución de integración de enlaces de backhaul satelital-terrestre que se basa en las tecnologías SDN para la realización de aplicaciones de TE de extremo a extremo (E2E) en redes de backhaul móviles, evaluando la viabilidad de la solución propuesta de integración basada en SDN en un entorno práctico de laboratorio que combina el uso de equipos y software comerciales, orientados a la experimentación y emulación.Postprint (published version

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-

A study of the applicability of software-defined networking in industrial networks

173 p.Las redes industriales interconectan sensores y actuadores para llevar a cabo funciones de monitorización, control y protección en diferentes entornos, tales como sistemas de transporte o sistemas de automatización industrial. Estos sistemas ciberfísicos generalmente están soportados por múltiples redes de datos, ya sean cableadas o inalámbricas, a las cuales demandan nuevas prestaciones, de forma que el control y gestión de tales redes deben estar acoplados a las condiciones del propio sistema industrial. De este modo, aparecen requisitos relacionados con la flexibilidad, mantenibilidad y adaptabilidad, al mismo tiempo que las restricciones de calidad de servicio no se vean afectadas. Sin embargo, las estrategias de control de red tradicionales generalmente no se adaptan eficientemente a entornos cada vez más dinámicos y heterogéneos.Tras definir un conjunto de requerimientos de red y analizar las limitaciones de las soluciones actuales, se deduce que un control provisto independientemente de los propios dispositivos de red añadiría flexibilidad a dichas redes. Por consiguiente, la presente tesis explora la aplicabilidad de las redes definidas por software (Software-Defined Networking, SDN) en sistemas de automatización industrial. Para llevar a cabo este enfoque, se ha tomado como caso de estudio las redes de automatización basadas en el estándar IEC 61850, el cual es ampliamente usado en el diseño de las redes de comunicaciones en sistemas de distribución de energía, tales como las subestaciones eléctricas. El estándar IEC 61850 define diferentes servicios y protocolos con altos requisitos en terminos de latencia y disponibilidad de la red, los cuales han de ser satisfechos mediante técnicas de ingeniería de tráfico. Como resultado, aprovechando la flexibilidad y programabilidad ofrecidas por las redes definidas por software, en esta tesis se propone una arquitectura de control basada en el protocolo OpenFlow que, incluyendo tecnologías de gestión y monitorización de red, permite establecer políticas de tráfico acorde a su prioridad y al estado de la red.Además, las subestaciones eléctricas son un ejemplo representativo de infraestructura crítica, que son aquellas en las que un fallo puede resultar en graves pérdidas económicas, daños físicos y materiales. De esta forma, tales sistemas deben ser extremadamente seguros y robustos, por lo que es conveniente la implementación de topologías redundantes que ofrezcan un tiempo de reacción ante fallos mínimo. Con tal objetivo, el estándar IEC 62439-3 define los protocolos Parallel Redundancy Protocol (PRP) y High-availability Seamless Redundancy (HSR), los cuales garantizan un tiempo de recuperación nulo en caso de fallo mediante la redundancia activa de datos en redes Ethernet. Sin embargo, la gestión de redes basadas en PRP y HSR es estática e inflexible, lo que, añadido a la reducción de ancho de banda debida la duplicación de datos, hace difícil un control eficiente de los recursos disponibles. En dicho sentido, esta tesis propone control de la redundancia basado en el paradigma SDN para un aprovechamiento eficiente de topologías malladas, al mismo tiempo que se garantiza la disponibilidad de las aplicaciones de control y monitorización. En particular, se discute cómo el protocolo OpenFlow permite a un controlador externo configurar múltiples caminos redundantes entre dispositivos con varias interfaces de red, así como en entornos inalámbricos. De esta forma, los servicios críticos pueden protegerse en situaciones de interferencia y movilidad.La evaluación de la idoneidad de las soluciones propuestas ha sido llevada a cabo, principalmente, mediante la emulación de diferentes topologías y tipos de tráfico. Igualmente, se ha estudiado analítica y experimentalmente cómo afecta a la latencia el poder reducir el número de saltos en las comunicaciones con respecto al uso de un árbol de expansión, así como balancear la carga en una red de nivel 2. Además, se ha realizado un análisis de la mejora de la eficiencia en el uso de los recursos de red y la robustez alcanzada con la combinación de los protocolos PRP y HSR con un control llevado a cabo mediante OpenFlow. Estos resultados muestran que el modelo SDN podría mejorar significativamente las prestaciones de una red industrial de misión crítica