A Survey on the Path Computation Element (PCE) Architecture

Quality of Service-enabled applications and services rely on Traffic Engineering-based (TE) Label Switched Paths (LSP) established in core networks and controlled by the GMPLS control plane. Path computation process is crucial to achieve the desired TE objective. Its actual effectiveness depends on a number of factors. Mechanisms utilized to update topology and TE information, as well as the latency between path computation and resource reservation, which is typically distributed, may affect path computation efficiency. Moreover, TE visibility is limited in many network scenarios, such as multi-layer, multi-domain and multi-carrier networks, and it may negatively impact resource utilization. The Internet Engineering Task Force (IETF) has promoted the Path Computation Element (PCE) architecture, proposing a dedicated network entity devoted to path computation process. The PCE represents a flexible instrument to overcome visibility and distributed provisioning inefficiencies. Communications between path computation clients (PCC) and PCEs, realized through the PCE Protocol (PCEP), also enable inter-PCE communications offering an attractive way to perform TE-based path computation among cooperating PCEs in multi-layer/domain scenarios, while preserving scalability and confidentiality. This survey presents the state-of-the-art on the PCE architecture for GMPLS-controlled networks carried out by research and standardization community. In this work, packet (i.e., MPLS-TE and MPLS-TP) and wavelength/spectrum (i.e., WSON and SSON) switching capabilities are the considered technological platforms, in which the PCE is shown to achieve a number of evident benefits

Restoration in multi-domain GMPLS-based networks

In this paper, we evaluate the efficiency of using restoration mechanisms in a dynamic multi-domain GMPLS network. Major challenges and solutions are introduced and two well-known restoration schemes (End-to-End and Local-to-End) are evaluated. Additionally, new restoration mechanisms are introduced: one based on the position of a failed link, called Location-Based, and another based on minimizing the additional resources consumed during restoration, called Shortest-New. A complete set of simulations in different network scenarios show where each mechanism is more efficient in terms, such as, resource overbuild or recovery delayPart of this work was supported by the Government of Catalonia (DURSI SGR-1202), and by the Spanish Science and Innovation Ministry (TRION TEC2009-10724

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-

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

Towards a cloud enabler : from an optical network resource provisioning system to a generalized architecture for dynamic infrastructure services provisioning

This work was developed during a period where most of the optical management and provisioning system where manual and proprietary. This work contributed to the evolution of the state of the art of optical networks with new architectures and advanced virtual infrastructure services. The evolution of optical networks, and internet globally, have been very promising during the last decade. The impact of mobile technology, grid, cloud computing, HDTV, augmented reality and big data, among many others, have driven the evolution of optical networks towards current service technologies, mostly based on SDN (Software Defined Networking) architectures and NFV(Network Functions Virtualisation). Moreover, the convergence of IP/Optical networks and IT services, and the evolution of the internet and optical infrastructures, have generated novel service orchestrators and open source frameworks. In fact, technology has evolved that fast that none could foresee how important Internet is for our current lives. Said in other words, technology was forced to evolve in a way that network architectures became much more transparent, dynamic and flexible to the end users (applications, user interfaces or simple APIs). This Thesis exposes the work done on defining new architectures for Service Oriented Networks and the contribution to the state of the art. The research work is divided into three topics. It describes the evolution from a Network Resource Provisioning System to an advanced Service Plane, and ends with a new architecture that virtualized the optical infrastructure in order to provide coordinated, on-demand and dynamic services between the application and the network infrastructure layer, becoming an enabler for the new generation of cloud network infrastructures. The work done on defining a Network Resource Provisioning System established the first bases for future work on network infrastructure virtualization. The UCLP (User Light Path Provisioning) technology was the first attempt for Customer Empowered Networks and Articulated Private Networks. It empowered the users and brought virtualization and partitioning functionalities into the optical data plane, with new interfaces for dynamic service provisioning. The work done within the development of a new Service Plane allowed the provisioning of on-demand connectivity services from the application, and in a multi-domain and multi-technology scenario based on a virtual network infrastructure composed of resources from different infrastructure providers. This Service Plane facilitated the deployment of applications consuming large amounts of data under deterministic conditions, so allowing the networks behave as a Grid-class resource. It became the first on-demand provisioning system that at lower levels allowed the creation of one virtual domain composed from resources of different providers. The last research topic presents an architecture that consolidated the work done in virtualisation while enhancing the capabilities to upper layers, so fully integrating the optical network infrastructure into the cloud environment, and so providing an architecture that enabled cloud services by integrating the request of optical network and IT infrastructure services together at the same level. It set up a new trend into the research community and evolved towards the technology we use today based on SDN and NFV. Summing up, the work presented is focused on the provisioning of virtual infrastructures from the architectural point of view of optical networks and IT infrastructures, together with the design and definition of novel service layers. It means, architectures that enabled the creation of virtual infrastructures composed of optical networks and IT resources, isolated and provisioned on-demand and in advance with infrastructure re-planning functionalities, and a new set of interfaces to open up those services to applications or third parties.Aquesta tesi es va desenvolupar durant un període on la majoria de sistemes de gestió de xarxa òptica eren manuals i basats en sistemes propietaris. En aquest sentit, la feina presentada va contribuir a l'evolució de l'estat de l'art de les xarxes òptiques tant a nivell d’arquitectures com de provisió d’infraestructures virtuals. L'evolució de les xarxes òptiques, i d'Internet a nivell mundial, han estat molt prometedores durant l'última dècada. L'impacte de la tecnologia mòbil, la computació al núvol, la televisió d'alta definició, la realitat augmentada i el big data, entre molts altres, han impulsat l'evolució cap a xarxes d’altes prestacions amb nous serveis basats en SDN (Software Defined Networking) i NFV (Funcions de xarxa La virtualització). D'altra banda, la convergència de xarxes òptiques i els serveis IT, junt amb l'evolució d'Internet i de les infraestructures òptiques, han generat nous orquestradors de serveis i frameworks basats en codi obert. La tecnologia ha evolucionat a una velocitat on ningú podria haver predit la importància que Internet està tenint en el nostre dia a dia. Dit en altres paraules, la tecnologia es va veure obligada a evolucionar d'una manera on les arquitectures de xarxa es fessin més transparent, dinàmiques i flexibles vers als usuaris finals (aplicacions, interfícies d'usuari o APIs simples). Aquesta Tesi presenta noves arquitectures de xarxa òptica orientades a serveis. El treball de recerca es divideix en tres temes. Es presenta un sistema de virtualització i aprovisionament de recursos de xarxa i la seva evolució a un pla de servei avançat, per acabar presentant el disseny d’una nova arquitectura capaç de virtualitzar la infraestructura òptica i IT i proporcionar serveis de forma coordinada, i sota demanda, entre l'aplicació i la capa d'infraestructura de xarxa òptica. Tot esdevenint un facilitador per a la nova generació d'infraestructures de xarxa en el núvol. El treball realitzat en la definició del sistema de virtualització de recursos va establir les primeres bases sobre la virtualització de la infraestructura de xarxa òptica en el marc de les “Customer Empowered Networks” i “Articulated Private Networks”. Amb l’objectiu de virtualitzar el pla de dades òptic, i oferir noves interfícies per a la provisió de serveis dinàmics de xarxa. En quant al pla de serveis presentat, aquest va facilitat la provisió de serveis de connectivitat sota demanda per part de l'aplicació, tant en entorns multi-domini, com en entorns amb múltiples tecnologies. Aquest pla de servei, anomenat Harmony, va facilitar el desplegament de noves aplicacions que consumien grans quantitats de dades en condicions deterministes. En aquest sentit, va permetre que les xarxes es comportessin com un recurs Grid, i per tant, va esdevenir el primer sistema d'aprovisionament sota demanda que permetia la creació de dominis virtuals de xarxa composts a partir de recursos de diferents proveïdors. Finalment, es presenta l’evolució d’un pla de servei cap una arquitectura global que consolida el treball realitzat a nivell de convergència d’infraestructures (òptica + IT) i millora les capacitats de les capes superiors. Aquesta arquitectura va facilitar la plena integració de la infraestructura de xarxa òptica a l'entorn del núvol. En aquest sentit, aquest resultats van evolucionar cap a les tendències actuals de SDN i NFV. En resum, el treball presentat es centra en la provisió d'infraestructures virtuals des del punt de vista d’arquitectures de xarxa òptiques i les infraestructures IT, juntament amb el disseny i definició de nous serveis de xarxa avançats, tal i com ho va ser el servei de re-planificació dinàmicaPostprint (published version