Integrated IT and SDN Orchestration of multi-domain multi-layer transport networks

Telecom operators networks' management and control remains partitioned by technology, equipment supplier and networking layer. In some segments, the network operations are highly costly due to the need of the individual, and even manual, configuration of the network equipment by highly specialized personnel. In multi-vendor networks, expensive and never ending integration processes between Network Management Systems (NMSs) and the rest of systems (OSSs, BSSs) is a common situation, due to lack of adoption of standard interfaces in the management systems of the different equipment suppliers. Moreover, the increasing impact of the new traffic flows introduced by the deployment of massive Data Centers (DCs) is also imposing new challenges that traditional networking is not ready to overcome. The Fifth Generation of Mobile Technology (5G) is also introducing stringent network requirements such as the need of connecting to the network billions of new devices in IoT paradigm, new ultra-low latency applications (i.e., remote surgery) and vehicular communications. All these new services, together with enhanced broadband network access, are supposed to be delivered over the same network infrastructure. In this PhD Thesis, an holistic view of Network and Cloud Computing resources, based on the recent innovations introduced by Software Defined Networking (SDN), is proposed as the solution for designing an end-to-end multi-layer, multi-technology and multi-domain cloud and transport network management architecture, capable to offer end-to-end services from the DC networks to customers access networks and the virtualization of network resources, allowing new ways of slicing the network resources for the forthcoming 5G deployments. The first contribution of this PhD Thesis deals with the design and validation of SDN based network orchestration architectures capable to improve the current solutions for the management and control of multi-layer, multi-domain backbone transport networks. These problems have been assessed and progressively solved by different control and management architectures which has been designed and evaluated in real evaluation environments. One of the major findings of this work has been the need of developed a common information model for transport network's management, capable to describe the resources and services of multilayer networks. In this line, the Control Orchestration Protocol (COP) has been proposed as a first contriution towards an standard management interface based on the main principles driven by SDN. Furthermore, this PhD Thesis introduces a novel architecture capable to coordinate the management of IT computing resources together with inter- and intra-DC networks. The provisioning and migration of virtual machines together with the dynamic reconfiguration of the network has been successfully demonstrated in a feasible timescale. Moreover, a resource optimization engine is introduced in the architecture to introduce optimization algorithms capable to solve allocation problems such the optimal deployment of Virtual Machine Graphs over different DCs locations minimizing the inter-DC network resources allocation. A baseline blocking probability results over different network loads are also presented. The third major contribution is the result of the previous two. With a converged cloud and network infrastructure controlled and operated jointly, the holistic view of the network allows the on-demand provisioning of network slices consisting of dedicated network and cloud resources over a distributed DC infrastructure interconnected by an optical transport network. The last chapters of this thesis discuss the management and orchestration of 5G slices based over the control and management components designed in the previous chapters. The design of one of the first network slicing architectures and the deployment of a 5G network slice in a real Testbed, is one of the major contributions of this PhD Thesis.La gestión y el control de las redes de los operadores de red (Telcos), todavía hoy, está segmentado por tecnología, por proveedor de equipamiento y por capa de red. En algunos segmentos (por ejemplo en IP) la operación de la red es tremendamente costosa, ya que en muchos casos aún se requiere con guración individual, e incluso manual, de los equipos por parte de personal altamente especializado. En redes con múltiples proveedores, los procesos de integración entre los sistemas de gestión de red (NMS) y el resto de sistemas (p. ej., OSS/BSS) son habitualmente largos y extremadamente costosos debido a la falta de adopción de interfaces estándar por parte de los diferentes proveedores de red. Además, el impacto creciente en las redes de transporte de los nuevos flujos de tráfico introducidos por el despliegue masivo de Data Centers (DC), introduce nuevos desafíos que las arquitecturas de gestión y control de las redes tradicionales no están preparadas para afrontar. La quinta generación de tecnología móvil (5G) introduce nuevos requisitos de red, como la necesidad de conectar a la red billones de dispositivos nuevos (Internet de las cosas - IoT), aplicaciones de ultra baja latencia (p. ej., cirugía a distancia) y las comunicaciones vehiculares. Todos estos servicios, junto con un acceso mejorado a la red de banda ancha, deberán ser proporcionados a través de la misma infraestructura de red. Esta tesis doctoral propone una visión holística de los recursos de red y cloud, basada en los principios introducidos por Software Defined Networking (SDN), como la solución para el diseño de una arquitectura de gestión extremo a extremo (E2E) para escenarios de red multi-capa y multi-dominio, capaz de ofrecer servicios de E2E, desde las redes intra-DC hasta las redes de acceso, y ofrecer ademas virtualización de los recursos de la red, permitiendo nuevas formas de segmentación en las redes de transporte y la infrastructura de cloud, para los próximos despliegues de 5G. La primera contribución de esta tesis consiste en la validación de arquitecturas de orquestración de red, basadas en SDN, para la gestión y control de redes de transporte troncales multi-dominio y multi-capa. Estos problemas (gestion de redes multi-capa y multi-dominio), han sido evaluados de manera incremental, mediante el diseño y la evaluación experimental, en entornos de pruebas reales, de diferentes arquitecturas de control y gestión. Uno de los principales hallazgos de este trabajo ha sido la necesidad de un modelo de información común para las interfaces de gestión entre entidades de control SDN. En esta línea, el Protocolo de Control Orchestration (COP) ha sido propuesto como interfaz de gestión de red estándar para redes SDN de transporte multi-capa. Además, en esta tesis presentamos una arquitectura capaz de coordinar la gestión de los recursos IT y red. La provisión y la migración de máquinas virtuales junto con la reconfiguración dinámica de la red, han sido demostradas con éxito en una escala de tiempo factible. Además, la arquitectura incorpora una plataforma para la ejecución de algoritmos de optimización de recursos capaces de resolver diferentes problemas de asignación, como el despliegue óptimo de Grafos de Máquinas Virtuales (VMG) en diferentes DCs que minimizan la asignación de recursos de red. Esta tesis propone una solución para este problema, que ha sido evaluada en terminos de probabilidad de bloqueo para diferentes cargas de red. La tercera contribución es el resultado de las dos anteriores. La arquitectura integrada de red y cloud presentada permite la creación bajo demanda de "network slices", que consisten en sub-conjuntos de recursos de red y cloud dedicados para diferentes clientes sobre una infraestructura común. El diseño de una de las primeras arquitecturas de "network slicing" y el despliegue de un "slice" de red 5G totalmente operativo en un Testbed real, es una de las principales contribuciones de esta tesis.La gestió i el control de les xarxes dels operadors de telecomunicacions (Telcos), encara avui, està segmentat per tecnologia, per proveïdors d’equipament i per capes de xarxa. En alguns segments (Per exemple en IP) l’operació de la xarxa és tremendament costosa, ja que en molts casos encara es requereix de configuració individual, i fins i tot manual, dels equips per part de personal altament especialitzat. En xarxes amb múltiples proveïdors, els processos d’integració entre els Sistemes de gestió de xarxa (NMS) i la resta de sistemes (per exemple, Sistemes de suport d’operacions - OSS i Sistemes de suport de negocis - BSS) són habitualment interminables i extremadament costosos a causa de la falta d’adopció d’interfícies estàndard per part dels diferents proveïdors de xarxa. A més, l’impacte creixent en les xarxes de transport dels nous fluxos de trànsit introduïts pel desplegament massius de Data Centers (DC), introdueix nous desafiaments que les arquitectures de gestió i control de les xarxes tradicionals que no estan llestes per afrontar. Per acabar de descriure el context, la cinquena generació de tecnologia mòbil (5G) també presenta nous requisits de xarxa altament exigents, com la necessitat de connectar a la xarxa milers de milions de dispositius nous, dins el context de l’Internet de les coses (IOT), o les noves aplicacions d’ultra baixa latència (com ara la cirurgia a distància) i les comunicacions vehiculars. Se suposa que tots aquests nous serveis, juntament amb l’accés millorat a la xarxa de banda ampla, es lliuraran a través de la mateixa infraestructura de xarxa. Aquesta tesi doctoral proposa una visió holística dels recursos de xarxa i cloud, basada en els principis introduïts per Software Defined Networking (SDN), com la solució per al disseny de una arquitectura de gestió extrem a extrem per a escenaris de xarxa multi-capa, multi-domini i consistents en múltiples tecnologies de transport. Aquesta arquitectura de gestió i control de xarxes transport i recursos IT, ha de ser capaç d’oferir serveis d’extrem a extrem, des de les xarxes intra-DC fins a les xarxes d’accés dels clients i oferir a més virtualització dels recursos de la xarxa, obrint la porta a noves formes de segmentació a les xarxes de transport i la infrastructura de cloud, pels propers desplegaments de 5G. La primera contribució d’aquesta tesi doctoral consisteix en la validació de diferents arquitectures d’orquestració de xarxa basades en SDN capaces de millorar les solucions existents per a la gestió i control de xarxes de transport troncals multi-domini i multicapa. Aquests problemes (gestió de xarxes multicapa i multi-domini), han estat avaluats de manera incremental, mitjançant el disseny i l’avaluació experimental, en entorns de proves reals, de diferents arquitectures de control i gestió. Un dels principals troballes d’aquest treball ha estat la necessitat de dissenyar un model d’informació comú per a les interfícies de gestió de xarxes, capaç de descriure els recursos i serveis de la xarxes transport multicapa. En aquesta línia, el Protocol de Control Orchestration (COP, en les seves sigles en anglès) ha estat proposat en aquesta Tesi, com una primera contribució cap a una interfície de gestió de xarxa estàndard basada en els principis bàsics de SDN. A més, en aquesta tesi presentem una arquitectura innovadora capaç de coordinar la gestió de els recursos IT juntament amb les xarxes inter i intra-DC. L’aprovisionament i la migració de màquines virtuals juntament amb la reconfiguració dinàmica de la xarxa, ha estat demostrat amb èxit en una escala de temps factible. A més, l’arquitectura incorpora una plataforma per a l’execució d’algorismes d’optimització de recursos, capaços de resoldre diferents problemes d’assignació, com el desplegament òptim de Grafs de Màquines Virtuals (VMG) en diferents ubicacions de DC que minimitzen la assignació de recursos de xarxa entre DC. També es presenta una solució bàsica per a aquest problema, així com els resultats de probabilitat de bloqueig per a diferents càrregues de xarxa. La tercera contribució principal és el resultat dels dos anteriors. Amb una infraestructura de xarxa i cloud convergent, controlada i operada de manera conjunta, la visió holística de la xarxa permet l’aprovisionament sota demanda de "network slices" que consisteixen en subconjunts de recursos d’xarxa i cloud, dedicats per a diferents clients, sobre una infraestructura de Data Centers distribuïda i interconnectada per una xarxa de transport òptica. Els últims capítols d’aquesta tesi tracten sobre la gestió i organització de "network slices" per a xarxes 5G en funció dels components de control i administració dissenyats i desenvolupats en els capítols anteriors. El disseny d’una de les primeres arquitectures de "network slicing" i el desplegament d’un "slice" de xarxa 5G totalment operatiu en un Testbed real, és una de les principals contribucions d’aquesta tesi.Postprint (published version

Orchestration of IT/Cloud and Networks: From Inter-DC Interconnection to SDN/NFV 5G Services

The so-called 5G networks promise to be the foundations for the deployment of advanced services, conceived around the joint allocation and use of heterogeneous resources,including network, computing and storage. Resources are placed on remote locations constrained by the different service requirements, resulting in cloud infrastructures (as pool of resources) that need to be interconnected. The automation of the provisioning of such services relies on a generalized orchestra tion, defined as to the coherent coordination of heterogeneous systems, applied to common cases such as involving heterogeneous network domains in terms of control or data plane technologies, or cloud and network resources. Although cloud-computing platforms do take into account the need to interconnect remote virtual machine instances, mostly rely on managing L2 overlays over L3 (IP). The integration with transport networks is still not fully achieved, including leveraging the advances in software defined networks and transmission. We start with an overview of network orchestration, considering different models; we extend them to take into account cloud manage ment while mentioning relevant existing initiatives and conclude with the NFV architecture

Segment routing for effective recovery and multi-domain traffic engineering

Segment routing is an emerging traffic engineering technique relying on Multi-protocol Label-Switched (MPLS) label stacking to steer traffic using the source-routing paradigm. Traffic flows are enforced through a given path by applying a specifically designed stack of labels (i.e., the segment list). Each packet is then forwarded along the shortest path toward the network element represented by the top label. Unlike traditional MPLS networks, segment routing maintains a per-flow state only at the ingress node; no signaling protocol is required to establish new flows or change the routing of active flows. Thus, control plane scalability is greatly improved. Several segment routing use cases have recently been proposed. As an example, it can be effectively used to dynamically steer traffic flows on paths characterized by low latency values. However, this may suffer from some potential issues. Indeed, deployed MPLS equipment typically supports a limited number of stacked labels. Therefore, it is important to define the proper procedures to minimize the required segment list depth. This work is focused on two relevant segment routing use cases: dynamic traffic recovery and traffic engineering in multi-domain networks. Indeed, in both use cases, the utilization of segment routing can significantly simplify the network operation with respect to traditional Internet Protocol (IP)/MPLS procedures. Thus, two original procedures based on segment routing are proposed for the aforementioned use cases. Both procedures are evaluated including a simulative analysis of the segment list depth. Moreover, an experimental demonstration is performed in a multi-layer test bed exploiting a software-defined-networking-based implementation of segment routing

First demonstration of multi-vendor and multi-domain EON with S-BVT and control interoperability over Pan-European testbed

The operation of multi-domain and multi-vendor EONs can be achieved by interoperable Sliceable Bandwidth Variable Transponders, a GMPLS / BGP-LS-based control plane and a planning tool. This paper reports the first full demonstration and validation this end-to-end architecture

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

Software Defined Applications in Cellular and Optical Networks

abstract: Small wireless cells have the potential to overcome bottlenecks in wireless access through the sharing of spectrum resources. A novel access backhaul network architecture based on a Smart Gateway (Sm-GW) between the small cell base stations, e.g., LTE eNBs, and the conventional backhaul gateways, e.g., LTE Servicing/Packet Gateways (S/P-GWs) has been introduced to address the bottleneck. The Sm-GW flexibly schedules uplink transmissions for the eNBs. Based on software defined networking (SDN) a management mechanism that allows multiple operator to flexibly inter-operate via multiple Sm-GWs with a multitude of small cells has been proposed. This dissertation also comprehensively survey the studies that examine the SDN paradigm in optical networks. Along with the PHY functional split improvements, the performance of Distributed Converged Cable Access Platform (DCCAP) in the cable architectures especially for the Remote-PHY and Remote-MACPHY nodes has been evaluated. In the PHY functional split, in addition to the re-use of infrastructure with a common FFT module for multiple technologies, a novel cross functional split interaction to cache the repetitive QAM symbols across time at the remote node to reduce the transmission rate requirement of the fronthaul link has been proposed.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201