Optimal Design Strategies for Survivable Carrier Ethernet Networks

Ethernet technologies have evolved through enormous standardization efforts over the past two decades to achieve carrier-grade functionalities, leading to carrier Ethernet. Carrier Ethernet is expected to dominate next generation backbone networks due to its low-cost and simplicity. Ethernet's ability to provide carrier-grade Layer-2 protection switching with SONET/SDH-like fast restoration time is achieved by a new protection switching protocol, Ethernet Ring Protection (ERP). In this thesis, we address two important design aspects of carrier Ethernet networks, namely, survivable design of ERP-based Ethernet transport networks together with energy efficient network design. For the former, we address the problem of optimal resource allocation while designing logical ERP for deployment and model the combinatorially complex problem of joint Ring Protection Link (RPL) placements and ring hierarchies selection as an optimization problem. We develop several Mixed Integer Linear Programming (MILP) model to solve the problem optimally considering both single link failure and concurrent dual link failure scenarios. We also present a traffic engineering based ERP design approach and develop corresponding MILP design models for configuring either single or multiple logical ERP instances over one underlying physical ring. For the latter, we propose two novel architectures of energy efficient Ethernet switches using passive optical correlators for optical bypassing as well as using energy efficient Ethernet (EEE) ports for traffic aggregation and forwarding. We develop an optimal frame scheduling model for EEE ports to ensure minimal energy consumption by using packet coalescing and efficient scheduling

A study of the applicability of software-defined networking in industrial networks

173 p.Las redes industriales interconectan sensores y actuadores para llevar a cabo funciones de monitorización, control y protección en diferentes entornos, tales como sistemas de transporte o sistemas de automatización industrial. Estos sistemas ciberfísicos generalmente están soportados por múltiples redes de datos, ya sean cableadas o inalámbricas, a las cuales demandan nuevas prestaciones, de forma que el control y gestión de tales redes deben estar acoplados a las condiciones del propio sistema industrial. De este modo, aparecen requisitos relacionados con la flexibilidad, mantenibilidad y adaptabilidad, al mismo tiempo que las restricciones de calidad de servicio no se vean afectadas. Sin embargo, las estrategias de control de red tradicionales generalmente no se adaptan eficientemente a entornos cada vez más dinámicos y heterogéneos.Tras definir un conjunto de requerimientos de red y analizar las limitaciones de las soluciones actuales, se deduce que un control provisto independientemente de los propios dispositivos de red añadiría flexibilidad a dichas redes. Por consiguiente, la presente tesis explora la aplicabilidad de las redes definidas por software (Software-Defined Networking, SDN) en sistemas de automatización industrial. Para llevar a cabo este enfoque, se ha tomado como caso de estudio las redes de automatización basadas en el estándar IEC 61850, el cual es ampliamente usado en el diseño de las redes de comunicaciones en sistemas de distribución de energía, tales como las subestaciones eléctricas. El estándar IEC 61850 define diferentes servicios y protocolos con altos requisitos en terminos de latencia y disponibilidad de la red, los cuales han de ser satisfechos mediante técnicas de ingeniería de tráfico. Como resultado, aprovechando la flexibilidad y programabilidad ofrecidas por las redes definidas por software, en esta tesis se propone una arquitectura de control basada en el protocolo OpenFlow que, incluyendo tecnologías de gestión y monitorización de red, permite establecer políticas de tráfico acorde a su prioridad y al estado de la red.Además, las subestaciones eléctricas son un ejemplo representativo de infraestructura crítica, que son aquellas en las que un fallo puede resultar en graves pérdidas económicas, daños físicos y materiales. De esta forma, tales sistemas deben ser extremadamente seguros y robustos, por lo que es conveniente la implementación de topologías redundantes que ofrezcan un tiempo de reacción ante fallos mínimo. Con tal objetivo, el estándar IEC 62439-3 define los protocolos Parallel Redundancy Protocol (PRP) y High-availability Seamless Redundancy (HSR), los cuales garantizan un tiempo de recuperación nulo en caso de fallo mediante la redundancia activa de datos en redes Ethernet. Sin embargo, la gestión de redes basadas en PRP y HSR es estática e inflexible, lo que, añadido a la reducción de ancho de banda debida la duplicación de datos, hace difícil un control eficiente de los recursos disponibles. En dicho sentido, esta tesis propone control de la redundancia basado en el paradigma SDN para un aprovechamiento eficiente de topologías malladas, al mismo tiempo que se garantiza la disponibilidad de las aplicaciones de control y monitorización. En particular, se discute cómo el protocolo OpenFlow permite a un controlador externo configurar múltiples caminos redundantes entre dispositivos con varias interfaces de red, así como en entornos inalámbricos. De esta forma, los servicios críticos pueden protegerse en situaciones de interferencia y movilidad.La evaluación de la idoneidad de las soluciones propuestas ha sido llevada a cabo, principalmente, mediante la emulación de diferentes topologías y tipos de tráfico. Igualmente, se ha estudiado analítica y experimentalmente cómo afecta a la latencia el poder reducir el número de saltos en las comunicaciones con respecto al uso de un árbol de expansión, así como balancear la carga en una red de nivel 2. Además, se ha realizado un análisis de la mejora de la eficiencia en el uso de los recursos de red y la robustez alcanzada con la combinación de los protocolos PRP y HSR con un control llevado a cabo mediante OpenFlow. Estos resultados muestran que el modelo SDN podría mejorar significativamente las prestaciones de una red industrial de misión crítica

Scalability and Resilience Analysis of Software-Defined Networking

Software-defined Networking (SDN) ist eine moderne Architektur für Kommunikationsnetze, welche entwickelt wurde, um die Einführung von neuen Diensten und Funktionen in Netzwerke zu erleichtern. Durch eine Trennung der Weiterleitungs- und Kontrollfunktionen sind nur wenige Kontrollelemente mit Software-Updates zu versehen, um Veränderungen am Netz vornehmen zu können. Allerdings wirft die Netzstrukturierung von SDN neue Fragen bezüglich Skalierbarkeit und Ausfallsicherheit auf, welche in dezentralen Netzstrukturen nicht auftreten. In dieser Arbeit befassen wir uns mit Fragestellungen zu Skalierbarkeit und Ausfallsicherheit in Bezug auf Unicast- und Multicast-Verkehr in SDN-basierten Netzen. Wir führen eine Komprimierungstechnik für Routingtabellen ein, welche die Skalierungsproblematik aktueller SDN Weiterleitungsgeräte verbessern soll und ermitteln ihre Effizienz in einer Leistungsbewertung. Außerdem diskutieren wir unterschiedliche Methoden, um die Ausfallsicherheit in SDN zu verbessern. Wir analysieren sie auf öffentlich zugänglichen Netzwerken und benennen Vor- und Nachteile der Ansätze. Abschließend schlagen wir eine skalierbare und ausfallsichere Architektur für Multicast-basiertes SDN vor. Wir untersuchen ihre Effizienz in einer Leistungsbewertung und zeigen ihre Umsetzbarkeit mithilfe eines Prototypen.Software-Defined Networking (SDN) is a novel architecture for communication networks that has been developed to ease the introduction of new network services and functions. It leverages the separation of the data plane and the control plane to allow network services to be deployed solely in software. Although SDN provides great flexibility, the applicability of SDN in communication networks raises several questions with regard to scalability and resilience against network failures. These concerns are not prevalent in current decentralized network architectures. In this thesis, we address scalability and resilience issues with regard to unicast and multicast traffic for SDN-based networks. We propose a new compression method for inter-domain routing tables to address hardware limitations of current SDN switches and analyze its effectiveness. We propose various resilience methods for SDN and identify their key performance indicators in the context of carrier-grade and datacenter networks. We discuss the advantages and disadvantages of these proposals and their appropriate use cases. Finally, we propose a scalable and resilient software-defined multicast architecture. We study the effectiveness of our approach and show its feasibility using a prototype implementation