Time Shared Optical Network (TSON): a novel metro architecture for flexible multi-granular services

This paper presents the Time Shared Optical Network (TSON) as metro mesh network architecture for guaranteed, statistically-multiplexed services. TSON proposes a flexible and tunable time-wavelength assignment along with one-way tree-based reservation and node architecture. It delivers guaranteed sub-wavelength and multi-granular network services without wavelength conversion, time-slice interchange and optical buffering. Simulation results demonstrate high network utilization, fast service delivery, and low end-to-end delay on a contention-free sub-wavelength optical transport network. In addition, implementation complexity in terms of Layer 2 aggregation, grooming and optical switching has been evaluated

First experimental demonstration of real-time orchestration in a Multi-head metro network

International audienceWe present for the first time the experimental demonstration of a Real-Time control-plane on the Multi-hEad sub-wavElength swiTching (MEET), Metro architecture. The key control assets are calculated and provided to the edge nodes in a form of grant files. These grant files eliminate the contention possibility at source nodes and destinations, thus they offer a lossless passive optical grooming and multiplexing/demultiplexing at the intermediate nodes. The experimental results validate the control plane structure designed based on a deterministic operating system well scalable for a regional metro network

Alternative Multiple Spanning Tree Protocol (AMSTP) for Optical Ethernet Backbones

The availability and affordable cost of Gigabit and 10 Gigabit Ethernet switches has impacted the deployment of metropolitan area networks (MAN) and campus networks. This paper presents a new protocol, the alternative multiple spanning tree protocol (AMSTP), that uses multiple source based spanning trees for backbones using Ethernet switches. It provides minimum paths and more efficient usage of optical backbone infrastructure than currently proposed protocols such as resilient packet ring and rapid spanning tree. The protocol exhibits features similar to MAC routing protocols like Link State Over MAC (LSOM) such as optimum path and effective infrastructure usage, without requiring MAC routing due to the use of the spanning tree protocol paradigm. AMSTP is not restricted to specific topologies such as ring or tree, but performs efficiently in arbitrary topologies. Among the application areas are optical backbones of campus and MANs.Publicad

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

Wavelength reconfigurability for next generation optical access networks

Next generation optical access networks should not only increase the capacity but also be able to redistribute the capacity on the fly in order to manage larger variations in traffic patterns. Wavelength reconfigurability is the instrument to enable such capability of network-wide bandwidth redistribution since it allows dynamic sharing of both wavelengths and timeslots in WDM-TDM optical access networks. However, reconfigurability typically requires tunable lasers and tunable filters at the user side, resulting in cost-prohibitive optical network units (ONU). In this dissertation, I propose a novel concept named cyclic-linked flexibility to address the cost-prohibitive problem. By using the cyclic-linked flexibility, the ONU needs to switch only within a subset of two pre-planned wavelengths, however, the cyclic-linked structure of wavelengths allows free bandwidth to be shifted to any wavelength by a rearrangement process. Rearrangement algorithm are developed to demonstrate that the cyclic-linked flexibility performs close to the fully flexible network in terms of blocking probability, packet delay, and packet loss. Furthermore, the evaluation shows that the rearrangement process has a minimum impact to in-service ONUs. To realize the cyclic-linked flexibility, a family of four physical architectures is proposed. PRO-Access architecture is suitable for new deployments and disruptive upgrades in which the network reach is not longer than 20 km. WCL-Access architecture is suitable for metro-access merger with the reach up to 100 km. PSB-Access architecture is suitable to implement directly on power-splitter-based PON deployments, which allows coexistence with current technologies. The cyclically-linked protection architecture can be used with current and future PON standards when network protection is required

In-operation planning in flexgrid optical core networks

New generation applications, such as cloud computing or video distribution, can run in a telecom cloud infrastructure where the datacenters (DCs) of telecom operators are integrated in their networks thus, increasing connections' dynamicity and resulting in time-varying traffic capacities, which might also entail changes in the traffic direction along the day. As a result, a flexible optical technology able to dynamically set-up variable-capacity connections, such as flexgrid, is needed. Nonetheless, network dynamicity might entail network performance degradation thus, requiring re-optimizing the network while it is in operation. This thesis is devoted to devise new algorithms to solve in-operation network planning problems aiming at enhancing the performance of optical networks and at studying their feasibility in experimental environments. In-operation network planning requires from an architecture enabling the deployment of algorithms that must be solved in stringent times. That architecture can be based on a Path Computation Element (PCE) or a Software Defined Networks controller. In this thesis, we assume the former split in a front-end PCE, in charge of provisioning paths and handling network events, and a specialized planning tool in the form of a back-end PCE responsible for solving in-operation planning problems. After the architecture to support in-operation planning is assessed, we focus on studying the following applications: 1) Spectrum fragmentation is one of the most important problems in optical networks. To alleviate it to some extent without traffic disruption, we propose a hitless spectrum defragmentation strategy. 2) Each connection affected by a failure can be recovered using multiple paths to increase traffic restorability at the cost of poor resource utilization. We propose re-optimizing the network after repairing the failure to aggregate and reroute those connections to release spectral resources. 3) We study two approaches to provide multicast services: establishing a point-to-multipoint connections at the optical layer and using multi-purpose virtual network topologies (VNT) to serve both unicast and multicast connectivity requests. 4) The telecom cloud infrastructure, enables placing contents closer to the users. Based on it, we propose a hierarchical content distribution architecture where VNTs permanently interconnect core DCs and metro DCs periodically synchronize contents to the core DCs. 5) When the capacity of the optical backbone network becomes exhausted, we propose using a planning tool with access to inventory and operation databases to periodically decide the equipment and connectivity to be installed at the minimum cost reducing capacity overprovisioning. 6) In multi-domain multi-operator scenarios, a broker on top of the optical domains can provision multi-domain connections. We propose performing intra-domain spectrum defragmentation when no contiguous spectrum can be found for a new connection request. 7) Packet nodes belonging to a VNT can collect and send incoming traffic monitoring data to a big data repository. We propose using the collected data to predict next period traffic and to adapt the VNT to future conditions. The methodology followed in this thesis consists in proposing a problem statement and/or a mathematical formulation for the problems identified and then, devising algorithms for solving them. Those algorithms are simulated and then, they are experimentally assessed in real test-beds. This thesis demonstrates the feasibility of performing in-operation planning in optical networks, shows that it enhances the performance of the network and validates the feasibility of its deployment in real networks. It shall be mentioned that part of the work reported in this thesis has been done within the framework of several research projects, namely IDEALIST (FP7-ICT-2011-8) and GEANT (238875) funded by the EC and SYNERGY (TEC2014-59995-R) funded by the MINECO.Les aplicacions de nova generació, com ara el cloud computing o la distribució de vídeo, es poden executar a infraestructures de telecom cloud (TCI) on operadors integren els seus datacenters (DC) a les seves xarxes. Aquestes aplicacions fan que incrementi tant la dinamicitat de les connexions, com la variabilitat de les seves capacitats en el temps, arribant a canviar de direcció al llarg del dia. Llavors, cal disposar de tecnologies òptiques flexibles, tals com flexgrid, que suportin aquesta dinamicitat a les connexions. Aquesta dinamicitat pot degradar el rendiment de la xarxa, obligant a re-optimitzar-la mentre és en operació. Aquesta tesis està dedicada a idear nous algorismes per a resoldre problemes de planificació sobre xarxes en operació (in-operation network planning) per millorar el rendiment de les xarxes òptiques i a estudiar la seva factibilitat en entorns experimentals. Aquests problemes requereixen d’una arquitectura que permeti desplegar algorismes que donin solucions en temps restrictius. L’arquitectura pot estar basada en un Element de Computació de Rutes (PCE) o en un controlador de Xarxes Definides per Software. En aquesta tesis, assumim un PCE principal encarregat d’aprovisionar rutes i gestionar esdeveniments de la xarxa, i una eina de planificació especialitzada en forma de PCE de suport per resoldre problemes d’in-operation planning. Un cop validada l’arquitectura que dona suport a in-operation planning, estudiarem les següents aplicacions: 1) La fragmentació d’espectre és un dels principals problemes a les xarxes òptiques. Proposem reduir-la en certa mesura, fent servir una estratègia que no afecta al tràfic durant la desfragmentació. 2) Cada connexió afectada per una fallada pot ser recuperada fent servir múltiples rutes incrementant la restaurabilitat de la xarxa, tot i empitjorar-ne la utilització de recursos. Proposem re-optimitzar la xarxa després de reparar una fallada per agregar i re-enrutar aquestes connexions tractant d’alliberar recursos espectrals. 3) Estudiem dues solucions per aprovisionar serveis multicast: establir connexions punt-a-multipunt sobre la xarxa òptica i utilitzar Virtual Network Topologies (VNT) multi-propòsit per a servir peticions de connectivitat tant unicast com multicast. 4) La TCI permet mantenir els continguts a prop dels usuaris. Proposem una arquitectura jeràrquica de distribució de continguts basada en la TCI, on els DC principals s’interconnecten per mitjà de VNTs permanents i els DCs metropolitans periòdicament sincronitzen continguts amb els principals. 5) Quan la capacitat de la xarxa òptica s’exhaureix, proposem utilitzar una eina de planificació amb accés a bases de dades d’inventari i operacionals per decidir periòdicament l’equipament i connectivitats a instal·lar al mínim cost i reduir el sobre-aprovisionament de capacitat. 6) En entorns multi-domini multi-operador, un broker per sobre dels dominis òptics pot aprovisionar connexions multi-domini. Proposem aplicar desfragmentació d’espectre intra-domini quan no es pot trobar espectre contigu per a noves peticions de connexió. 7) Els nodes d’una VNT poden recollir i enviar informació de monitorització de tràfic entrant a un repositori de big data. Proposem utilitzar aquesta informació per adaptar la VNT per a futures condicions. La metodologia que hem seguit en aquesta tesis consisteix en formalitzar matemàticament els problemes un cop aquests son identificats i, després, idear algorismes per a resoldre’ls. Aquests algorismes son simulats i finalment validats experimentalment en entorns reals. Aquesta tesis demostra la factibilitat d’implementar mecanismes d’in-operation planning en xarxes òptiques, mostra els beneficis que aquests aporten i valida la seva aplicabilitat en xarxes reals. Part del treball presentat en aquesta tesis ha estat dut a terme en el marc dels projectes de recerca IDEALIST (FP7-ICT-2011-8) i GEANT (238875), finançats per la CE, i SYNERGY (TEC2014-59995-R), finançat per el MINECO.Postprint (published version