Traffic Engineering in G-MPLS networks with QoS guarantees

In this paper a new Traffic Engineering (TE) scheme to efficiently route sub-wavelength requests with different QoS requirements is proposed for G-MPLS networks. In most previous studies on TE based on dynamic traffic grooming, the objectives were to minimize the rejection probability by respecting the constraints of the optical node architecture, but without considering service differentiation. In practice, some high-priority (HP) connections can instead be characterized by specific constraints on the maximum tolerable end-to-end delay and packet-loss ratio. The proposed solution consists of a distributed two-stage scheme: each time a new request arrives, an on-line dynamic grooming scheme finds a route which fulfills the QoS requirements. If a HP request is blocked at the ingress router, a preemption algorithm is executed locally in order to create room for this traffic. The proposed preemption mechanism minimizes the network disruption, both in term of number of rerouted low-priority connections and new set-up lightpaths, and the signaling complexity. Extensive simulation experiments are performed to demonstrate the efficiency of our scheme

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

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

Multilayer Protection with Availability Guarantees in Optical WDM Networks

n/

Priority realloc : a threefold mechanism for route and resources allocation in EONs

Cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i Escola Politécnica da Universidade de São PauloBackbone networks are responsible for long-haul data transport serving many clients with a large volume of data. Since long-haul data transport service must rely on a robust high capacity network the current technology broadly adopted by the industry is Wavelength Division Multiplexing (WDM). WDM networks enable one single fiber to operate with multiple high capacity channels, drastically increasing the fiber capacity. In WDM networks each channel is associated with an individual wavelength. Therefore a whole wavelength capacity is assigned to a connection, causing waste of bandwidth in case the connection bandwidth requirement is less than the channel total capacity. In the last half decade, Elastic Optical Networks (EON) have been proposed and developed based on the flexible use of the optical spectrum known as the flexigrid. EONs are adaptable to clients requirements and may enhance optical networks performance. For these reasons, research community and data transport providers have been demonstrating increasingly high interest in EONs which are likely to replace WDM as the universally adopted technology in backbone networks in the near future. EONs have two characteristics that may limit its efficient resources use. The spectrum fragmentation, inherent to the dynamic EON operation, decreases the network capacity to assign resources to connection requests increasing network blocking probability. The spectrum fragmentation also intensifies the denial of service to higher rate request inducing service unfairness. Due to the fact EONs were just recently developed and proposed, the aforementioned issues were not yet extensively studied and solutions are still being proposed. Furthermore, EONs do not yet provide specific features as differentiated service mechanisms. Differentiated service strategies are important in backbone networks to guarantee client's diverse requirements in case of a network failure or the natural congestion and resources contention that may occur at some periods of time in a network. Impelled by the foregoing facts, this thesis objective is three-fold. By means of developing and proposing a mechanism for routing and resources assignment in EONs, we intend to provide differentiated service while decreasing fragmentation level and increasing service fairness. The mechanism proposed and explained in this thesis was tested in an EON simulation environment and performance results indicated that it promotes beneficial performance enhancements when compared to benchmark algorithms.Redes backbone sao responsáveis pelo transporte de dados à longa distância que atendem a uma grande quantidade de clientes com um grande volume de dados. Como redes backbone devem basear-se em uma rede robusta e de alta capacidade, a tecnologia atual amplamente adotada pela indústria é Wavelength Division Multiplexing (WDM). Redes WDM permitem que uma única fibra opere com múltiplos canais de alta largura de banda, aumentando drasticamente a capacidade da fibra. Em redes WDM cada canal está associado a um comprimento de onda particular. Por conseguinte, toda capacidade do comprimento de onda é atribuída a uma única conexão, fazendo com que parte da largura de banda seja desperdiçada no caso em que a requisição de largura de banda da conexão seja menor do que a capacidade total do canal. A partir da metade da última década, as Redes Ópticas Elásticas (Elastic Optical Networks - EON) têm sido propostas e desenvolvidas com base no uso flexível do espectro óptico conhecido como flexigrid. EONs são adaptáveis às requisiçes por banda dos clientes e podem, portanto, melhorar o desempenho das redes ópticas. Por estas razões, EONs têm recebido cada vez mais interesse dos meios de pesquisa e provedores de serviço e provavelmente substituirão WDM como a tecnologia universalmente adotada pela indústria em redes backbone. EONs têm duas características que podem limitar a utilização eficiente de recursos. A fragmentação do espectro, inerente à operação dinâmica das EONs, pode diminuir a capacidade da rede em distribuir recursos ao atender às solicitações por conexões aumentando a probabilidade de bloqueio na rede. A fragmentação do espectro também intensifica a negação de serviço às solicitações por taxa de transmissão mais elevada, gerando injustiça no serviço prestado. Como EONs foram desenvolvidas recentemente, respostas às questões acima mencionadas ainda estão sob estudo e soluções continuam sendo propostas na literatura. Além disso, EONs ainda não fornecem funções específicas como um mecanismo que proveja diferenciação de serviço. Estratégias de diferenciação de serviço são importantes em redes backbone para garantir os diversos requisitos dos clientes em caso de uma falha na rede ou do congestionamento e disputa por recursos que podem ocorrer em alguns períodos em uma rede. Impulsionada pelos fatos anteriormente mencionados, esta tese possui três objetivos. Através do desenvolvimento e proposta de um mecanismo de roteamento e atribuição de recursos para EONs, temos a intenção de disponibilizar diferenciação de serviço, diminuir o nível de fragmentação de espectro e aumentar a justiça na distribuição de serviços. O mecanismo proposto nesta tese foi testado em simulações de EONs. Resultados indicaram que o mecanismo proposto promove benefícios através do aprimoramento da performance de uma rede EON quando comparado com algoritmos de referência.Les xarxes troncals son responsables per el transport de dades a llarga distància que serveixen a una gran quantitat de clients amb un gran volum de dades. Com les xarxes troncals han d'estar basades en una xarxa robusta i d'alta capacitat, la tecnologia actual àmpliament adoptada per la indústria és el Wavelength Division Multiplexing (WDM). Xarxes WDM permeten operar amb una sola fibra multicanal d'alt ample de banda, el que augmenta molt la capacitat de la fibra. A les xarxes WDM cada canal est a associat amb una longitud d'ona particular. En conseqüència, tota la capacitat del canal es assignada a una sola connexió, fent que part dels recurs siguin perduts en el cas en que l'ample de banda sol licitada sigui menys que la capacitat total del canal. A gairebé deu anys les xarxes òptiques elàstiques (Elastic Optical Networks -EON) son propostes i desenvolupades basades en el ús visible de l'espectre òptic conegut com Flexigrid. EONs són adaptables a les sol·licituds per ample de banda dels clients i per tant poden millorar el rendiment de les xarxes òptiques. Per aquestes raons, EONs han rebut cada vegada més interès en els mitjans d’investigació i de serveis i, probablement, han de reemplaçar el WDM com la tecnologia universalment adoptada en les xarxes troncals. EONs tenen dues característiques que poden limitar l'ús eficient dels recursos seus. La fragmentació de l'espectre inherent al funcionament dinàmic de les EONs, pot disminuir la capacitat de la xarxa en distribuir els recursos augmentant la probabilitat de bloqueig de connexions. La fragmentació de l'espectre també intensifica la denegació de les sol·licituds de servei per connexions amb una major ample de banda, el que genera injustícia en el servei ofert. Com les EONs s'han desenvolupat recentment, solucions als problemes anteriors encara estan en estudi i les solucions segueixen sent proposades en la literatura. D'altra banda, les EONs encara no proporcionen funcions especifiques com mecanisme de diferenciació de provisió de serveis. Estratègies de diferenciació de servei són importants en les xarxes troncals per garantir les diverses necessitats dels clients en cas d'una fallada de la xarxa o de la congestió i la competència pels recursos que es poden produir en alguns períodes. Impulsada pels fets abans esmentats, aquesta tesi te tres objectius. A través del desenvolupament i proposta d'un mecanisme d'enrutament i assignació de recursos per EONs, tenim la intenció d'oferir la diferenciació de serveis, disminuir el nivell de fragmentació de l'espectre i augmentar l'equitat en la distribució dels serveis. El mecanisme proposat en aquesta tesi ha estat provat en simulacions EONs. Els resultats van indicar que el mecanisme promou millores en el rendiment de la EON, en comparació amb els algoritmes de referència.Postprint (published version

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

Prediction-based Decentralized Routing Algorithm

We introduce a new efficient routing algorithm called Prediction-based Decentralized Routing algorithm (PDR), which is based on the Ant Colony Optimization (ACO) meta-heuristics. In our approach, an ant uses a combination of the link state information and the predicted link load instead of the ant's trip time to determine the amount of pheromone to deposit. A Feed Forward Neural Network (FFNN) is used to build adaptive traffic predictors which capture the actual traffic behaviour. We study two performance parameters: the rejection ratio and the percentage of accepted bandwidth under two different network load conditions. We show that our algorithm reduces the rejection ratio of requests and achieves a higher throughput when compared to Shortest Path First and Widest Shortest Path algorithms