End-to-end provisioning in multi-domain/multi-layer networks

The last decade has seen many advances in high-speed networking technologies. At the Layer 1 fiber-optic level, dense wavelength division multiplexing (DWDM) has seen fast growth in long-haul backbone/metro sectors. At the Layer 1.5 level, revamped next-generation SONET/SDH (NGS) has gained strong traction in the metro space, as a highly flexible sub-rate\u27 aggregation and grooming solution. Meanwhile, ubiquitous Ethernet (Layer 2) and IP (Layer 3) technologies have also seen the introduction of new quality of service (QoS) paradigms via the differentiated services (Diff-Serv) and integrated services (Intserv) frameworks. In recent years, various control provisioning standards have also been developed to provision these new networks, e.g., via efforts within the IETF, ITU-T, and OIF organizations. As these networks technologies gain traction, there is an increasing need to internetwork multiple domains operating at different technology layers, e.g., IP, Ethernet, SONET, DWDM. However, most existing studies have only looked at single domain networks or multiple domains operating at the same technology layer. As a result, there is now a growing level of interest in developing expanded control solutions for multi-domain/multi-layer networks, i.e., IP-SONET-DWDM. Now given the increase in the number of inter-connected domains, it is difficult for a single entity to maintain complete \u27global\u27 information across all domains. Hence, related solutions must pursue a distributed approach to handling multi-domain/multi-layer problem. Namely, key provisions are needed in the area of inter- domain routing, path computation, and signaling. The work in this thesis addresses these very challenges. Namely, a hierarchical routing framework is first developed to incorporate the multiple link types/granularities encountered in different network domains. Commensurate topology abstraction algorithms and update strategies are then introduced to help condense domain level state and propagate global views. Finally, distributed path computation and signaling setup schemes are developed to leverage the condensed global state information and make intelligent connection routing decisions. The work leverages heavily from graph theory concepts and also addresses the inherent distributed grooming dimension of multi-layer networks. The performance of the proposed framework and algorithms is studied using discrete event simulation techniques. Specifically, a range of multi-domain/multi-layer network topologies are designed and tested. Findings show that the propagation of inter-domain tunneled link state has a huge impact on connection blocking performance, lowering inter-domain connection blocking rates by a notable amount. More importantly, these gains are achieved without any notable increase in inter-domain routing loads. Furthermore, the results also show that topology abstraction is most beneficial at lower network load settings, and when used in conjunction with load-balancing routing.\u2

Supporting Service Differentiation in Multi-domain Multilayer Optical Networks

Providing differentiated quality of service became more and more important. This is not only because some service requests a high quality and real time transportation, but also because other services such as the capacity greedy applications request a higher bandwidth. In the meantime, has been the hybrid architecture consists of IP/MPLS domain and ASON/GMPLS optical domain projected as the infrastructure of the future internet. This architecture supports the transportation of the in near future expected data traffic on the ASON/GMPLS over DWDM optical domain, whereas it supports all the IP based service applications using the IP/MPLS domain. However, supporting service differentiation in multi-domain multilayer optical networks require the invention on routing scheme that supports both routing policies, the Physical Topology First (PTF) and Virtual Topology First (VTP), which are used to accommodate traffic in multilayer networks. In this work we use a hierarchical routing algorithm to evaluate the service differentiation schemes that are known in the literature in an IP/MPLS over ASON/GMPLS multi-domain network scenario, these service differentiation schemes are the Routing Policy Differentiation (RPD), Virtual Topology Differentiation (VTD) and Virtual Topology Sharing (VTS).&nbsp

Some open issues in multi-domain/multi-operator/multi-granular ASON/GMPLS networks

Large optical backbone networks may be composed of several domains, each one controlled by different administrators/operators. Besides, the bandwidth granularity of these domains may be different. Label Switched Paths (LSPs) provisioning in multi-domain/multi-operators/multi-layer network scenarios is a challenging problem actually, which has to be properly faced. In this paper, some open issues related to end-to-end bandwidth provisioning are discussed. Among others, the grooming problem in multi-layer/multi-domain optical networks and the performance degradation of recovery mechanisms due to limited inter-domain knowledge are analyzed.Postprint (published version

On the resource abstraction, partitioning and composition for virtual GMPLS-controlled multi-layer optical networks

Virtual optical networking supports the dynamic provisioning of dedicated networks over the same network infrastructure, which has received a lot of attention by network providers. The stringent network requirements (e.g., Quality of Service -QoS-, Service Level Agreement -SLA-, dynamicity) of the emerging high bandwidth and dynamic applications such as high-definition video streaming (e.g., telepresence, television, remote surgery, etc.), and cloud computing (e.g., real-time data backup, remote desktop, etc.) can be supported by the deployment of dynamic infrastructure services to build ad-hoc Virtual Optical Networks (VON), which is known as Infrastructure as a Service (IaaS). Future Internet should support two separate entities: infrastructure providers (who manage the physical infrastructure) and service providers (who deploy network protocols and offer end-to-end services). Thus, network service providers shall request, on a per-need basis, a dedicated and application-specific VON and have full control over it. Optical network virtualization technologies allow the partitioning/composition of the network infrastructure (i.e., physical optical nodes and links) into independent virtual resources, adopting the same functionality as the physical resource. The composition of these virtual resources (i.e., virtual optical nodes and links) allows the deployment of multiple VONs. A VON must be composed of not only a virtual transport plane but also of a virtual control plane, with the purpose of providing the required independent and full control functionalities (i.e., automated connection provisioning and recovery (protection/restauration), traffic engineering (e.g., QoS, SLA), etc.). This PhD Thesis focuses on optical network virtualization, with three main objectives. The first objective consists on the design, implementation and evaluation of an architecture and the necessary protocols and interfaces for the virtualization of a Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) controlled Wavelength Switched Optical Network (WSON) and the introduction of a resource broker for dynamic virtual GMPLS-controlled WSON infrastructure services, whose task is to dynamically deploy VONs from service provider requests. The introduction of a resource broker implies the need for virtual resource management and allocation algorithms for optimal usage of the shared physical infrastructure. Also, the deployment of independent virtual GMPLS control plane on top of each VON shall be performed by the resource broker. This objective also includes the introduction of optical network virtualization for Elastic Optical Networks (EON). The second objective is to design, implement and experimentally evaluate a system architecture for deploying virtual GMPLS-controlled Multi-Protocol Label Switching Transport Profile (MPLS-TP) networks over a shared WSON. With this purpose, this PhD Thesis also focuses on the design and development of MPLS-TP nodes which are deployed on the WSON of the ADRENALINE Testbed at CTTC premises. Finally, the third objective is the composition of multiple virtual optical networks with heterogeneous control domains (e.g., GMPLS, OpenFlow). A multi-domain resource broker has been designed, implemented and evaluated.La gestió de xarxes òptiques virtuals permet la provisió dinàmica de xarxes dedicades a sobre la mateixa infraestructura de xarxa i ha cridat molt l’atenció als proveïdors de xarxes. Els requisits de xarxa (per exemple la qualitat de servei, els acords de nivell de servei o la dinamicitat) són cada cop més astringents per a les aplicacions emergents d'elevat ample de banda i dinàmiques, que inclouen per exemple la reproducció en temps real de vídeo d'alta definició (telepresència, televisió, telemedicina) i serveis d’informàtica en núvol (còpies de seguretat en temps real, escriptori remot). Aquests requisits poden ser assolits a través del desplegament de serveis de infraestructura dinàmics per construir xarxes òptiques virtuals (VON, en anglès), fet que és conegut com a infraestructura com a servei (IaaS). La internet del futur hauria de suportar dos entitats diferenciades: els proveïdors d'infraestructures (responsables de gestionar la infraestructura física), i els proveïdors de serveis (responsables dels protocols de xarxa i d'oferir els serveis finals). D'aquesta forma els proveïdors de serveis podrien sol•licitar i gestionar en funció de les necessitats xarxes òptiques virtuals dedicades i específiques per les aplicacions. Les tecnologies de virtualització de xarxes òptiques virtuals permeten la partició i composició de infraestructura de xarxa (nodes i enllaços òptics) en recursos virtuals independents que adopten les mateixes funcionalitats que els recursos físics. La composició d'aquests recursos virtuals (nodes i enllaços òptics virtuals) permet el desplegament de múltiples VONs. Una VON no sols està composada per un pla de transport virtual, sinó també per un pla de control virtual, amb l'objectiu d'incorporar les funcionalitats necessàries a la VON (provisió de connexions automàtiques i recuperació (protecció/restauració), enginyeria de tràfic, etc.). Aquesta tesis es centra en la virtualització de xarxes òptiques amb tres objectius principals. El primer objectiu consisteix en el disseny, implementació i avaluació de l'arquitectura i els protocols i interfícies necessaris per la virtualització de xarxes encaminades a través de la longitud d'ona i controlades per GMPLS. També inclou la introducció d'un gestor de recursos per desplegar xarxes òptiques virtuals de forma dinàmica. La introducció d'aquest gestor de recursos implica la necessitat d'una gestió dels recursos virtuals i d’algoritmes d’assignació de recursos per a la utilització òptima dels recursos físics. A més el gestor de recursos ha de ser capaç del desplegament dels recursos assignats, incloent un pla de control GMPLS virtual independent per a cada VON desplegada. Finalment, aquest objectiu inclou la introducció de mecanismes de virtualització per a xarxes elàstiques òptiques (EON, en anglès). El segon objectiu és el disseny, la implementació i l’avaluació experimental d'una arquitectura de sistema per oferir xarxes MPLS-TP virtuals controlades per GMPLS sobre una infraestructura i WSON compartida. Per això, aquesta tesis també es centra en el disseny i desenvolupament d'un node MPLS-TP que ha estat desplegat al demostrador ADRENALINE, al CTTC. Finalment, el tercer objectiu és la composició de múltiples xarxes òptiques virtuals en dominis de control heterogenis (GMPLS i OpenFlow). Un gestor de recursos multi-domini ha estat dissenyat, implementat i avaluat.La gestión de redes ópticas virtuales permite la provisión dinámica de redes dedicadas encima la misma infraestructura de red y ha llamado mucho la atención a los proveedores de redes. Los requisitos de red (por ejemplo la calidad de servicio, los acuerdos de nivel de servicio o la dinamicidad) son cada vez más estringentes para las aplicaciones emergentes de elevado ancho de banda y dinámicas, que incluyen por ejemplo la reproducción en tiempo real de vídeo de alta definición (telepresencia, televisión, telemedicina) y servicios de computación en la nube (copias de seguridad en tiempo real, escritorio remoto). Estos requisitos pueden ser logrados a través del despliegue de servicios de infraestructura dinámicos para construir redes ópticas virtuales (VON, en inglés), hecho que es conocido como infraestructura como servicio (IaaS). La internet del futuro tendrá que soportar dos entidades diferenciadas: los proveedores de infraestructuras (responsables de gestionar la infraestructura física), y los proveedores de servicios (responsables de los protocolos de red y de ofrecer los servicios finales). De esta forma los proveedores de servicios podrán solicitar y gestionar en función de las necesitados redes ópticas virtuales dedicadas y específicas por las aplicaciones. Las tecnologías de virtualización de redes ópticas virtuales permiten la partición y composición de infraestructura de red (nodos y enlaces ópticos) en recursos virtuales independientes que adoptan las mismas funcionalidades que los recursos físicos. La composición de estos recursos virtuales (nodos y enlaces ópticos virtuales) permite el despliegue de múltiples VONs. Una VON no sólo está compuesta por un plan de transporte virtual, sino también por un plan de control virtual, con el objetivo de incorporar las funcionalidades necesarias a la VON (provisión de conexiones automáticas y recuperación (protección/restauración), ingeniería de tráfico, etc.). Esta tesis se centra en la virtualización de redes ópticas con tres objetivos principales. El primer objetivo consiste en el diseño, implementación y evaluación de la arquitectura y los protocolos e interfaces necesarios por la virtualización de redes encaminadas a través de la longitud de ola y controladas por GMPLS. También incluye la introducción de un gestor de recursos para desplegar redes ópticas virtuales de forma dinámica. La introducción de este gestor de recursos implica la necesidad de una gestión de los recursos virtuales y de algoritmos de asignación de recursos para la utilización óptima de los recursos físicos. Además el gestor de recursos tiene que ser capaz del despliegue de los recursos asignados, incluyendo un plan de control GMPLS virtual independiente para cada VON desplegada. Finalmente, este objetivo incluye la introducción de mecanismos de virtualización para redes elásticas ópticas (EON, en inglés). El segundo objetivo es el diseño, la implementación y la evaluación experimental de una arquitectura de sistema para ofrecer redes MPLS-TP virtuales controladas por GMPLS sobre una infraestructura WSON compartida. Por eso, esta tesis también se centra en el diseño y desarrollo de un nodo MPLS-TP que ha sido desplegado al demostrador ADRENALINE, en el CTTC. Finalmente, el tercer objetivo es la composición de múltiples redes ópticas virtuales en dominios de control heterogéneos (GMPLS y OpenFlow). Un gestor de recursos multi-dominio ha sido diseñado, implementado y evaluado

Access and metro network convergence for flexible end-to-end network design

This paper reports on the architectural, protocol, physical layer, and integrated testbed demonstrations carried out by the DISCUS FP7 consortium in the area of access - metro network convergence. Our architecture modeling results show the vast potential for cost and power savings that node consolidation can bring. The architecture, however, also recognizes the limits of long-reach transmission for low-latency 5G services and proposes ways to address such shortcomings in future projects. The testbed results, which have been conducted end-to-end, across access - metro and core, and have targeted all the layers of the network from the application down to the physical layer, show the practical feasibility of the concepts proposed in the project

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

Next-Generation Transport Networks Leveraging Universal Traffic Switching and Flexible Optical Transponders

Recent developments in communication technology contributed to the growth of network traffic exponentially. Cost per bit has to necessarily suffer an inverse trend, posing several challenges to network operators. Optical transport networks are no exception to this. On one hand, they have to keep up with the expectations of data speed, volume, and growth at the agreed quality-of-service (QoS), while on the other hand, a steep downward trend of the cost per bit is a matter of concern. Thus, the proper selection of network architecture, technology, resiliency schemes, and traffic handling contributes to the total cost of ownership (TCO). In this context, this chapter looks into the network architectures, including the optical transport network (OTN) switch (both traditional and universal), resiliency schemes (protection and restoration), flexible-rate line interfaces, and an overall strategy of handover in between metro and core networks. A design framework is also described and used to support the case studies reported in this chapter