Survivability aspects of future optical backbone networks

In huidige glasvezelnetwerken kan een enkele vezel een gigantische hoeveelheid data dragen, ruwweg het equivalent van 25 miljoen gelijktijdige telefoongesprekken. Hierdoor zullen netwerkstoringen, zoals breuken van een glasvezelkabel, de communicatie van een groot aantal eindgebruikers verstoren. Netwerkoperatoren kiezen er dan ook voor om hun netwerk zo te bouwen dat zulke grote storingen automatisch opgevangen worden. Dit proefschrift spitst zich toe op twee aspecten rond de overleefbaarheid in toekomstige optische netwerken. De eerste doelstelling die beoogd wordt is het tot stand brengen vanrobuuste dataverbindingen over meerdere netwerken. Door voldoende betrouwbare verbindingen tot stand te brengen over een infrastructuur die niet door een enkele entiteit wordt beheerd kan men bv. weredwijd Internettelevisie van hoge kwaliteit aanbieden. De bestudeerde oplossing heeft niet enkel tot doel om deze zeer betrouwbare verbinding te berekenen, maar ook om dit te bewerkstelligen met een minimum aan gebruikte netwerkcapaciteit. De tweede doelstelling was om een antwoord te formuleren om de vraag hoe het toepassen van optische schakelsystemen gebaseerd op herconfigureerbare optische multiplexers een impact heeft op de overleefbaarheid van een optisch netwerk. Bij lagere volumes hebben optisch geschakelde netwerken weinig voordeel van dergelijke gesofistikeerde methoden. Elektronisch geschakelde netwerken vertonen geen afhankelijkheid van het datavolume en hebben altijd baat bij optimalisatie

Monitoring of dynamic all-optical network.

本文提出一种新颖的动态全光网络监控分布式算法，该算法可估计光网络中光纤链路上的误码率，在不需要额外光监控元件的情况下同时监控，检测和定位多处光纤链路损坏。在光网络传输过程中，各个终端结点的接受机可以时时地估计出收到光流的误码率，这些误码率信息可以通过扩展OSPF-TE协议在全网共享。基于这些共享的误码率信息，我们将光纤损坏检测问题抽像成一个线性编程（LP）算法，其中每一个误码率信息代表一个限制条件。我们之后运用一些算法优化技巧将这个问题的维度和复杂度大大地降低，以便可以直接嵌入到每个网络结点可能自带的微处理器单元中进行实时计算运用。本文提出的算法同时适用于没有光波长转换器的光网络和配备光波长转换器的光网络。 通过沿用OSPF协议的分层多域思想，大规模网络可以分化成小的域和连接各域的主干网络，从而可以将一个复杂的大规模网络检错问题转化成一系列简单小网络检错问题。通过将该算法在一个由408 节点组成，支持40波长的大规模GMPLS 网络仿真平台上仿真，算法的有效性得到了验证。为了保证用于仿真的网络流量模型合理且符合实际，本文也对动态全光网络流量模型做了一定研究。在自相似网络流量模型下，我们发现长短光流的不公平性问题可以给动态全光网络带来很大问题，会大大地降低网络的吞吐率。我们运用一种截短长光流的方法可以将这个问题很有效地解决。据我们所知，这是目前唯一的一个能运用于现实中超大规模光网络的低成本可实现且可以作到波长级监控和同时监控多个链路错误的算法。该方法可以不用额外添加昂贵的光监控元件就可实现对动态全光网络的监控，并且该方法同时适用于透明，半透明及配置波长转换器的光网络。A new and efficient distributed algorithm for estimating the bit-error-rate (BER) of links in dynamic optical networks is proposed. The method can be used to monitor, detect and localize multiple soft link-failures without incurring any additional optical monitoring equipment. During the transmission of each optical flow the end node’s receiver can estimate the digital BER information, and the BER information can be shared among the network by extending the Open Shortest Path First-Traffic Engineering Extension (OSPF-TE) protocol easily. We model the faults localization problem as a linear programming (LP) algorithm, where each BER information measured from a flow serves as a constraint. Optimization techniques are applied to significantly simplify the complexity of the LP algorithm in order to make it solvable in real time by an integrated processor attached to the network node. The proposed algorithm is capable of monitoring networks with or without wavelength converters. A large scale network can be divided into several layers according to the OSPF protocol, thus the algorithm can be applied to large networks in the real world similar to OSPF. The monitoring algorithm is demonstrated by network simulations over a 408-node, 40-wavelength network test-bed where up to twenty faulty links are identified.To make sure the traffic generator model is reasonable, the traffic model for dynamic all-optical network is also studied in this work. Under self-similar traffic, we found that the dynamic optical networks suffer from the long flow short flow unfairness problem, which would reduce the throughput as well. So a segmentation strategy is proposed to solve this problem.To the best of our knowledge, this is the first realistic and low-cost framework which can monitor channel level BER changes to identify multi-link-failures efficiently for large scale dynamic all-optical WDM networks, without using expensive optical monitors or additional supervisory channels. The approach proposed is applicable to transparent, translucent and wavelength-converted optical networks.Detailed summary in vernacular field only.Detailed summary in vernacular field only.Detailed summary in vernacular field only.Detailed summary in vernacular field only.Li, Huadong.Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2012.Includes bibliographical references (leaves 64-66).Abstracts also in Chinese.Chapter Chapter 1 --- Introduction --- p.1Chapter Chapter 2 --- Backgrounds --- p.11Chapter 2.1 --- ROADMs, Dynamic networks --- p.11Chapter 2.1 --- Types of failures considered: --- p.13Chapter 2.2 --- Brief review of OSPF routing protocol --- p.15Chapter Chapter 3 --- Traffic model used --- p.16Chapter 3.1 --- Introduction --- p.16Chapter 3.2 --- LFSF unfairness problem --- p.19Chapter 3.3 --- Flow segmentation strategy --- p.23Chapter 3.4 --- Simulation results --- p.24Chapter 3.5 --- Summary and Conclusion --- p.29Chapter Chapter 4 --- Estimated digital BER monitoring and faults diagnosis algorithm --- p.31Chapter 4.1 --- Intra-domain faults diagnosis algorithm --- p.31Chapter 4.2 --- Hierarchically layering scheme for inter-domain network monitoring --- p.37Chapter Chapter 5 --- Simulation results and analysis --- p.40Chapter 5.1 --- Simulation set up --- p.40Chapter 5.1.1 --- 100Gbps simulation set up --- p.40Chapter 5.1.2 --- 10Gbps simulation set up --- p.42Chapter 5.2 --- Simulation results --- p.44Chapter 5.2.1 --- 100Gbps simulation results: --- p.44Chapter 5.2.2 --- 10Gbps simulation: --- p.51Chapter 5.3 --- Conclusion --- p.61Chapter Chapter 6 --- Conclusion --- p.62Reference --- p.6

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

Green Resource Management in Distributed Cloud Infrastructures

Computing has evolved over time according to different paradigms, along with an increasing need for computational power. Modern computing paradigms basically share the same underlying concept of Utility Computing, that is a service provisioning model through which a shared pool of computing resources is used by a customer when needed. The objective of Utility Computing is to maximize the resource utilization and bring down the relative costs. Nearly a decade ago, the concept of Cloud Computing emerged as a virtualization technique where services were executed remotely in a ubiquitous way, providing scalable and virtualized resources. The spread of Cloud Computing has been also encouraged by the success of the virtualization, which is one of the most promising and efficient techniques to consolidate system's utilization on one side, and to lower power, electricity charges and space costs in data centers on the other. In the last few years, there has been a remarkable growth in the number of data centers, which represent one of the leading sources of increased business data traffic on the Internet. An effect of the growing scale and the wide use of data centers is the dramatic increase of power consumption, with significant consequences both in terms of environmental and operational costs. In addition to power consumption, also carbon footprint of the Cloud infrastructures is becoming a serious concern, since a lot of power is generated from non-renewable sources. Hence, energy awareness has become one of the major design constraints for Cloud infrastructures. In order to face these challenges, a new generation of energy-efficient and eco-sustainable network infrastructures is needed. In this thesis, a novel energy-aware resource orchestration framework for distributed Cloud infrastructures is discussed. The aim is to explain how both network and IT resources can be managed while, at the same time, the overall power consumption and carbon footprint are being minimized. To this end, an energy-aware routing algorithm and an extension of the OSPF-TE protocol to distribute energy-related information have been implemented

An ontology-based approach toward the configuration of heterogeneous network devices

Despite the numerous efforts of standardization, semantic issues remain in effect in many subfields of networking. The inability to exchange data unambiguously between information systems and human resources is an issue that hinders technology implementation, semantic interoperability, service deployment, network management, technology migration, among many others. In this thesis, we will approach the semantic issues in two critical subfields of networking, namely, network configuration management and network addressing architectures. The fact that makes the study in these areas rather appealing is that in both scenarios semantic issues have been around from the very early days of networking. However, as networks continue to grow in size and complexity current practices are becoming neither scalable nor practical. One of the most complex and essential tasks in network management is the configuration of network devices. The lack of comprehensive and standard means for modifying and controlling the configuration of network elements has led to the continuous and extended use of proprietary Command Line Interfaces (CLIs). Unfortunately, CLIs are generally both, device and vendor-specific. In the context of heterogeneous network infrastructures---i.e., networks typically composed of multiple devices from different vendors---the use of several CLIs raises serious Operation, Administration and Management (OAM) issues. Accordingly, network administrators are forced to gain specialized expertise and to continuously keep knowledge and skills up to date as new features, system upgrades or technologies appear. Overall, the utilization of proprietary mechanisms allows neither sharing knowledge consistently between vendors' domains nor reusing configurations to achieve full automation of network configuration tasks---which are typically required in autonomic management. Due to this heterogeneity, CLIs typically provide a help feature which is in turn an useful source of knowledge to enable semantic interpretation of a vendor's configuration space. The large amount of information a network administrator must learn and manage makes Information Extraction (IE) and other forms of natural language analysis of the Artificial Intelligence (AI) field key enablers for the network device configuration space. This thesis presents the design and implementation specification of the first Ontology-Based Information Extraction (OBIE) System from the CLI of network devices for the automation and abstraction of device configurations. Moreover, the so-called semantic overload of IP addresses---wherein addresses are both identifiers and locators of a node at the same time---is one of the main constraints over mobility of network hosts, multi-homing and scalability of the routing system. In light of this, numerous approaches have emerged in an effort to decouple the semantics of the network addressing scheme. In this thesis, we approach this issue from two perspectives, namely, a non-disruptive (i.e., evolutionary) solution to the current Internet and a clean-slate approach for Future Internet. In the first scenario, we analyze the Locator/Identifier Separation Protocol (LISP) as it is currently one of the strongest solutions to the semantic overload issue. However, its adoption is hindered by existing problems in the proposed mapping systems. Herein, we propose the LISP Redundancy Protocol (LRP) aimed to complement the LISP framework and strengthen feasibility of deployment, while at the same time, minimize mapping table size, latency time and maximize reachability in the network. In the second scenario, we explore TARIFA a Next Generation Internet architecture and introduce a novel service-centric addressing scheme which aims to overcome the issues related to routing and semantic overload of IP addresses.A pesar de los numerosos esfuerzos de estandarización, los problemas de semántica continúan en efecto en muchas subáreas de networking. La inabilidad de intercambiar data sin ambiguedad entre sistemas es un problema que limita la interoperabilidad semántica. En esta tesis, abordamos los problemas de semántica en dos áreas: (i) la gestión de configuración y (ii) arquitecturas de direccionamiento. El hecho que hace el estudio en estas áreas de interés, es que los problemas de semántica datan desde los inicios del Internet. Sin embargo, mientras las redes continúan creciendo en tamaño y complejidad, los mecanismos desplegados dejan de ser escalabales y prácticos. Una de las tareas más complejas y esenciales en la gestión de redes es la configuración de equipos. La falta de mecanismos estándar para la modificación y control de la configuración de equipos ha llevado al uso continuado y extendido de interfaces por líneas de comando (CLI). Desafortunadamente, las CLIs son generalmente, específicos por fabricante y dispositivo. En el contexto de redes heterogéneas--es decir, redes típicamente compuestas por múltiples dispositivos de distintos fabricantes--el uso de varias CLIs trae consigo serios problemas de operación, administración y gestión. En consecuencia, los administradores de red se ven forzados a adquirir experiencia en el manejo específico de múltiples tecnologías y además, a mantenerse continuamente actualizados en la medida en que nuevas funcionalidades o tecnologías emergen, o bien con actualizaciones de sistemas operativos. En general, la utilización de mecanismos propietarios no permite compartir conocimientos de forma consistente a lo largo de plataformas heterogéneas, ni reutilizar configuraciones con el objetivo de alcanzar la completa automatización de tareas de configuración--que son típicamente requeridas en el área de gestión autonómica. Debido a esta heterogeneidad, las CLIs suelen proporcionar una función de ayuda que fundamentalmente aporta información para la interpretación semántica del entorno de configuración de un fabricante. La gran cantidad de información que un administrador debe aprender y manejar, hace de la extracción de información y otras formas de análisis de lenguaje natural del campo de Inteligencia Artificial, potenciales herramientas para la configuración de equipos en entornos heterogéneos. Esta tesis presenta el diseño y especificaciones de implementación del primer sistema de extracción de información basada en ontologías desde el CLI de dispositivos de red, para la automatización y abstracción de configuraciones. Por otra parte, la denominada sobrecarga semántica de direcciones IP--en donde, las direcciones son identificadores y localizadores al mismo tiempo--es una de las principales limitaciones sobre mobilidad, multi-homing y escalabilidad del sistema de enrutamiento. Por esta razón, numerosas propuestas han emergido en un esfuerzo por desacoplar la semántica del esquema de direccionamiento de las redes actuales. En esta tesis, abordamos este problema desde dos perspectivas, la primera de ellas una aproximación no-disruptiva (es decir, evolucionaria) al problema del Internet actual y la segunda, una nueva propuesta en torno a futuras arquitecturas del Internet. En el primer escenario, analizamos el protocolo LISP (del inglés, Locator/Identifier Separation Protocol) ya que es en efecto, una de las soluciones con mayor potencial para la resolucion del problema de semántica. Sin embargo, su adopción está limitada por problemas en los sistemas de mapeo propuestos. En esta tesis, proponemos LRP (del inglés, LISP Redundancy Protocol) un protocolo destinado a complementar LISP e incrementar la factibilidad de despliegue, a la vez que, reduce el tamaño de las tablas de mapeo, tiempo de latencia y maximiza accesibilidad. En el segundo escenario, exploramos TARIFA una arquitectura de red de nueva generación e introducimos un novedoso esquema de direccionamiento orientado a servicios