Resource allocation and scalability in dynamic wavelength-routed optical networks.

This thesis investigates the potential benefits of dynamic operation of wavelength-routed optical networks (WRONs) compared to the static approach. It is widely believed that dynamic operation of WRONs would overcome the inefficiencies of the static allocation in improving resource use. By rapidly allocating resources only when and where required, dynamic networks could potentially provide the same service that static networks but at decreased cost, very attractive to network operators. This hypothesis, however, has not been verified. It is therefore the focus of this thesis to investigate whether dynamic operation of WRONs can save significant number of wavelengths compared to the static approach whilst maintaining acceptable levels of delay and scalability. Firstly, the wavelength-routed optical-burst-switching (WR-OBS) network architecture is selected as the dynamic architecture to be studied, due to its feasibility of implementation and its improved network performance. Then, the wavelength requirements of dynamic WR-OBS are evaluated by means of novel analysis and simulation and compared to that of static networks for uniform and non-uniform traffic demand. It is shown that dynamic WR-OBS saves wavelengths with respect to the static approach only at low loads and especially for sparsely connected networks and that wavelength conversion is a key capability to significantly increase the benefits of dynamic operation. The mean delay introduced by dynamic operation of WR-OBS is then assessed. The results show that the extra delay is not significant as to violate end-to-end limits of time-sensitive applications. Finally, the limiting scalability of WR-OBS as a function of the lightpath allocation algorithm computational complexity is studied. The trade-off between the request processing time and blocking probability is investigated and a new low-blocking and scalable lightpath allocation algorithm which improves the mentioned trade-off is proposed. The presented algorithms and results can be used in the analysis and design of dynamic WRONs

Offset time-emulated architecture for optical burst switching-modelling and performance evaluation

L'evolució de les xarxes publiques de transport de dades destaca per el continu augment de la demanda de tràfic a la que estan sotmeses. La causa és la imparable popularització d'Internet i del seu ús per a tot tipus d'aplicacions. Les xarxes de commutació de ràfegues òptiques (OBS: Optical Bursts Switching) són una solució extraordinàriament prometedora per la pròxima generació de xarxes, tant per la flexibilitat que ofereixen com per el seu alt rendiment fruit de l'explotació de la multiplexació estadística en el domini òptic.Aquesta tesi presenta l'anàlisi, modelització i avaluació de les xarxes de commutació de ràfegues òptiques basades en l'emulació del temps de compensació (emulated offset time: E-OBS). El concepte d'E-OBS defineix una arquitectura de xarxa OBS per al transportar i commutar ràfegues òptiques en una xarxa troncal en la que, al contrari de l'arquitectura convencional (C-OBS) en la que el temps de compensació s'introdueix des dels nodes d'accés, el temps de compensació s'introdueix en cadascun dels nodes de la xarxa per mitjà d'un retardador de fibra addicional. L'arquitectura E-OBS permet superar algunes de les desavantatges inherents a arquitectures C-OBS, però la seva gran virtut és la compatibilitat amb les xarxes de commutació de circuits òptics (OCS: Optical Circuit Switching) actuals i les futures xarxes de commutació de paquets òptics (OPS: Optical Packet Switching), de manera que les xarxes OBS basades en una arquitectura E-OBS) poden facilitat enormement la transició de unes a les altres.A ala vista dels principals requeriments de disseny de les xarxes OBS, que són la resolució de contencions en el domini òptic, la provisió de qualitat de servei (QoS) i l'òptim encaminament de les ràfegues per tal de minimitzar la congestió de la xarxa, . en aquesta tesi es proposa un disseny de l'arquitectura E-OBS basada en (i) un mètode viable per a la provisió del temps de compensació, (ii) una qualitat alta global de servei, i (iii) un mecanisme d'encaminament que minimitzi congestió de xarxa.- La primera part d'aquesta tesi proporciona la informació documental necessària per al disseny d'E-OBS.- La segona part se centra en l'estudi de la funcionalitat i viabilitat de l'arquitectura E-OBS. S'introdueixen els principis d'operació d'E-OBS i s'identifiquen els principals esculls que presenten les arquitectures C-OBS i que deixen de ser-ho en una arquitectura E-OBS. Alguns d'aquests esculls són la dificultat d'utilitzar un algorisme d'encaminament amb rutes alternatives, la complexitat dels algoritmes de reserva de recursos i la seva falta d'equitat, la complexitat en la provisió de la QoS, etc. En aquesta segona part es constata que l'arquitectura E-OBS redueix la complexitat dels de reserva de recursos i es verifica la viabilitat d'operació i de funcionament de la provisió del tremps de compensació en aquesta arquitectura a partir de figures de comportament obtingudes amb retardadors de fibra comercialment disponibles.- La tercera part encara el problema de la provisió de la QoS. Primer s'hi revisen els conceptes bàsics de QoS així com els mecanismes de tractament de la QoS per a xarxes OBS fent-ne una comparació qualitativa i de rendiment de tots ells. Com a resultat s'obté que el mecanisme que presenta un millor comportament és el d'avortament de la transmissió de les ràfegues de més baixa prioritat quan aquestes col·lisionen amb una de prioritat més alta (es l'anomenat Burst Preemption mechanism), el qual en alguns casos presenta un problema de senyalització innecessària. Aquesta tercera part es conclou amb la proposta d'un mecanisme de finestra a afegir al esquema de Burst Preemption que només funciona sobre una arquitectura E-OBS i que soluciona aquest problema.- En la quarta part s'afronta el problema de l'encaminament en xarxes OBS. S'estudia el comportament dels algoritmes d'encaminament adaptatius, els aïllats amb rutes alternatives i els multicamí distribuïts, sobre xarxes E-OBS. A la vista dels resultats no massa satisfactoris que s'obtenen, es planteja una solució alternativa que es basa en model d'optimització no lineal. Es formulen i resolen dos models d'optimització per als algoritmes encaminament de font multicamí que redueixen notablement la congestió en les xarxes OBS.Finalment, aquesta tesi conclou que l'arquitectura E-OBS és factible, que és més eficient que la C-OBS, que proveeix eficaçment QoS, i que és capaç d'operar amb diverses estratègies d'encaminament i de reduir eficaçment la congestió de xarxa.The fact that the Internet is a packet-based connection-less network is the main driver to develop a data-centric transport network. In this context, the optical burst switching (OBS) technology is considered as a promising solution for reducing the gap between transmission and switching speeds in future networks.This thesis presents the analysis, modelling, and evaluation of the OBS network with Emulated offset-time provisioning (E-OBS). E-OBS defines an OBS network architecture to transport and switch optical data bursts in a core network. On the contrary to a conventional offset-time provisioning OBS (C-OBS) architecture, where a transmission offset time is introduced in the edge node, in an E-OBS network the offset time is provided in the core node by means of an additional fibre delay element. The architecture is motivated by several drawbacks inherent to C-OBS architectures. It should be pointed out that the E-OBS has not been studied intensively in the literature and this concept has been considered rather occasionally.Due to the limitations in optical processing and queuing, OBS networks need a special treatment so that they could solve problems typical of data-centric networks. Contention resolution in optical domain together with quality of service (QoS) provisioning for quality demanding services are, among other things, the main designing issues when developing OBS networks. Another important aspect is routing problem, which concerns effective balancing of traffic load so that to reduce burst congestion at overloaded links. Accounting for these requirements, the design objectives for the E-OBS architecture are (i) feasibility of offset-time provisioning, (ii) an overall high quality of service, and (iii) reduction of network congestion. These objectives are achieved by combining selected concepts and strategies, together with appropriate system design as well as network traffic engineering.The contributions in this thesis can be summarized as follows.- At the beginning, we introduce the principles of E-OBS operation and we demonstrate that C-OBS possesses many drawbacks that can be easily avoided in E-OBS. Some of the discussed issues are the problem of unfairness in resources reservation, difficulty with alternative routing, complexity of resources reservation algorithms, efficiency of burst scheduling, and complexity in QoS provisioning. The feasibility of E-OBS operation is investigated as well; in this context, the impact of congestion in control plane on OBS operation is studied. As a result, we confirm the feasibility of E-OBS operation with commercially available fibre delay elements.- Then, we provide both qualitative and quantitative comparison of the selected, most addressed in the literature, QoS mechanisms. As an outcome a burst preemption mechanism, which is characterized by the highest overall performance, is qualified for operating in E-OBS. Since the preemptive mechanism may produce the overbooking of resources in an OBS network we address this issue as well. We propose the preemption window mechanism to solve the problem. An analytical model of the mechanism legitimates correctness of our solution.- Finally, we concern with a routing problem - our routing objective is to help the contention resolution algorithms in the reduction of burst losses. We propose and evaluate two isolated alternative routing algorithms designed for labelled E-OBS networks. Then we study multi-path source routing and we use network optimization theory to improve it. The presented formulae for partial derivatives, to be used in a non-linear optimization problem, are straightforward and very fast to compute. It makes the proposed non-linear optimization method a viable alternative for linear programming formulations based on piecewise linear approximations.Concluding, E-OBS is shown to be a feasible OBS network architecture of profitable functionality, to support efficiently the QoS provisioning, and to be able to operate with different routing strategies and effectively reduce the network congestion

Cross-layer modeling and optimization of next-generation internet networks

Scaling traditional telecommunication networks so that they are able to cope with the volume of future traffic demands and the stringent European Commission (EC) regulations on emissions would entail unaffordable investments. For this very reason, the design of an innovative ultra-high bandwidth power-efficient network architecture is nowadays a bold topic within the research community. So far, the independent evolution of network layers has resulted in isolated, and hence, far-from-optimal contributions, which have eventually led to the issues today's networks are facing such as inefficient energy strategy, limited network scalability and flexibility, reduced network manageability and increased overall network and customer services costs. Consequently, there is currently large consensus among network operators and the research community that cross-layer interaction and coordination is fundamental for the proper architectural design of next-generation Internet networks. This thesis actively contributes to the this goal by addressing the modeling, optimization and performance analysis of a set of potential technologies to be deployed in future cross-layer network architectures. By applying a transversal design approach (i.e., joint consideration of several network layers), we aim for achieving the maximization of the integration of the different network layers involved in each specific problem. To this end, Part I provides a comprehensive evaluation of optical transport networks (OTNs) based on layer 2 (L2) sub-wavelength switching (SWS) technologies, also taking into consideration the impact of physical layer impairments (PLIs) (L0 phenomena). Indeed, the recent and relevant advances in optical technologies have dramatically increased the impact that PLIs have on the optical signal quality, particularly in the context of SWS networks. Then, in Part II of the thesis, we present a set of case studies where it is shown that the application of operations research (OR) methodologies in the desing/planning stage of future cross-layer Internet network architectures leads to the successful joint optimization of key network performance indicators (KPIs) such as cost (i.e., CAPEX/OPEX), resources usage and energy consumption. OR can definitely play an important role by allowing network designers/architects to obtain good near-optimal solutions to real-sized problems within practical running times

A Survey of Green Networking Research

Reduction of unnecessary energy consumption is becoming a major concern in wired networking, because of the potential economical benefits and of its expected environmental impact. These issues, usually referred to as "green networking", relate to embedding energy-awareness in the design, in the devices and in the protocols of networks. In this work, we first formulate a more precise definition of the "green" attribute. We furthermore identify a few paradigms that are the key enablers of energy-aware networking research. We then overview the current state of the art and provide a taxonomy of the relevant work, with a special focus on wired networking. At a high level, we identify four branches of green networking research that stem from different observations on the root causes of energy waste, namely (i) Adaptive Link Rate, (ii) Interface proxying, (iii) Energy-aware infrastructures and (iv) Energy-aware applications. In this work, we do not only explore specific proposals pertaining to each of the above branches, but also offer a perspective for research.Comment: Index Terms: Green Networking; Wired Networks; Adaptive Link Rate; Interface Proxying; Energy-aware Infrastructures; Energy-aware Applications. 18 pages, 6 figures, 2 table

Performance evaluation of TCP over software-defined optical burst-switched data centre network

In this paper, we consider the performance of TCP when used in data centre networks (DCNs) featuring optical burst switching (OBS) using two-way reservation. The two-way reservation is not suitable in wide-area OBS networks due to high bandwidth-delay product (BDP). The burst loss using traditional methods of one-way reservation can be mistakenly interpreted by the TCP layer as congestion instead of contention in OBS network, leading to serious degradation of the TCP performance. The reduced BDP in DCNs allows the use of two-way reservation that results in zero burst loss. The modelled architecture features fast optical switches in a single hop topology. We apply different workloads with various burst assembly parameters to evaluate the performance of TCP. Our results show significant improvement in TCP performance as compared to traditional methods of OBS as well as to a conventional electronic packet switching DCN

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