On QoS-assured degraded provisioning in service-differentiated multi-layer elastic optical networks

The emergence of new network applications is driving network operators to not only fulfill dynamic bandwidth requirements, but offer various grades of service. Degraded provisioning provides an effective solution to flexibly allocate resources in various dimensions to reduce blocking for differentiated demands when network congestion occurs. In this work, we investigate the novel problem of online degraded provisioning in service-differentiated multi-layer networks with optical elasticity. Quality of Service (QoS) is assured by service-holding-time prolongation and immediate access as soon as the service arrives without set-up delay. We decompose the problem into degraded routing and degraded resource allocation stages, and design polynomial-time algorithms with the enhanced multi-layer architecture to increase the network flexibility in temporal and spectral dimensions. Illustrative results verify that we can achieve significant reduction of network service failures, especially for requests with higher priorities. The results also indicate that degradation in optical layer can increase the network capacity, while the degradation in electric layer provides flexible time-bandwidth exchange.Comment: accepted by IEEE GLOBECOM 201

End-to-end quality of service provisioning in multilayer and multidomain environments

Tesis doctoral inédita. Universidad Autónoma de Madrid, Escuela Politécnica Superior, marzo de 200

Autonomous and reliable operation of multilayer optical networks

This Ph.D. thesis focuses on the reliable autonomous operation of multilayer optical networks. The first objective focuses on the reliability of the optical network and proposes methods for health analysis related to Quality of Transmission (QoT) degradation. Such degradation is produced by soft-failures in optical devices and fibers in core and metro segments of the operators’ transport networks. Here, we compare estimated and measured QoT in the optical transponder by using a QoT tool based on GNPy. We show that the changes in the values of input parameters of the QoT model representing optical devices can explain the deviations and degradation in performance of such devices. We use reverse engineering to estimate the value of those parameters that explain the observed QoT. We show by simulation a large anticipation in soft-failure detection, localization and identification of degradation before affecting the network. Finally, for validating our approach, we experimentally observe the high accuracy in the estimation of the modeling parameters. The second objective focuses on multilayer optical networks, where lightpaths are used to connect packet nodes thus creating virtual links (vLink). Specifically, we study how lightpaths can be managed to provide enough capacity to the packet layer without detrimental effects in their Quality of Service (QoS), like added delays or packet losses, and at the same time minimize energy consumption. Such management must be as autonomous as possible to minimize human intervention. We study the autonomous operation of optical connections based on digital subcarrier multiplexing (DSCM). We propose several solutions for the autonomous operation of DSCM systems. In particular, the combination of two modules running in the optical node and in the optical transponder activate and deactivate subcarriers to adapt the capacity of the optical connection to the upper layer packet traffic. The module running in the optical node is part of our Intent-based Networking (IBN) solution and implements prediction to anticipate traffic changes. Our comprehensive study demonstrates the feasibility of DSCM autonomous operation and shows large cost savings in terms of energy consumption. In addition, our study provides a guideline to help vendors and operators to adopt the proposed solutions. The final objective targets at automating packet layer connections (PkC). Automating the capacity required by PkCs can bring further cost reduction to network operators, as it can limit the resources used at the optical layer. However, such automation requires careful design to avoid any QoS degradation, which would impact Service Level Agreement (SLA) in the case that the packet flow is related to some customer connection. We study autonomous packet flow capacity management. We apply RL techniques and propose a management lifecycle consisting of three different phases: 1) a self-tuned threshold-based approach for setting up the connection until enough data is collected, which enables understanding the traffic characteristics; 2) RL operation based on models pre-trained with generic traffic profiles; and 3) RL operation based on models trained with the observed traffic. We show that RL algorithms provide poor performance until they learn optimal policies, as well as when the traffic characteristics change over time. The proposed lifecycle provides remarkable performance from the starting of the connection and it shows the robustness while facing changes in traffic. The contribution is twofold: 1) and on the one hand, we propose a solution based on RL, which shows superior performance with respect to the solution based on prediction; and 2) because vLinks support packet connections, coordination between the intents of both layers is proposed. In this case, the actions taken by the individual PkCs are used by the vLink intent. The results show noticeable performance compared to independent vLink operation.Esta tesis doctoral se centra en la operación autónoma y confiable de redes ópticas multicapa. El primer objetivo se centra en la fiabilidad de la red óptica y propone métodos para el análisis del estado relacionados con la degradación de la calidad de la transmisión (QoT). Dicha degradación se produce por fallos en dispositivos ópticos y fibras en las redes de transporte de los operadores que no causan el corte de la señal. Comparamos el QoT estimado y medido en el transpondedor óptico mediante el uso de una herramienta de QoT basada en GNPy. Mostramos que los cambios en los valores de los parámetros de entrada del modelo QoT que representan los dispositivos ópticos pueden explicar las desviaciones y la degradación en el rendimiento de dichos dispositivos. Usamos ingeniería inversa para estimar el valor de aquellos parámetros que explican el QoT observado. Mostramos, mediante simulación, una gran anticipación en la detección, localización e identificación de fallas leves antes de afectar la red. Finalmente, validamos nuestro método de forma experimental y comprobamos la alta precisión en la estimación de los parámetros de los modelos. El segundo objetivo se centra en las redes ópticas multicapa, donde se utilizan conexiones ópticas (lightpaths) para conectar nodos de paquetes creando así enlaces virtuales (vLink). Específicamente, estudiamos cómo se pueden gestionar los lightpaths para proporcionar suficiente capacidad a la capa de paquetes sin efectos perjudiciales en su calidad de servicio (QoS), como retrasos adicionales o pérdidas de paquetes, y al mismo tiempo minimizar el consumo de energía. Estudiamos el funcionamiento autónomo de conexiones ópticas basadas en multiplexación de subportadoras digitales (DSCM) y proponemos soluciones para su funcionamiento autónomo. En particular, la combinación de dos módulos que se ejecutan en el nodo óptico y en el transpondedor óptico activan y desactivan subportadoras para adaptar la capacidad de la conexión óptica al tráfico de paquetes. El módulo que se ejecuta en el nodo óptico implementa la predicción para anticipar los cambios de tráfico. Nuestro estudio demuestra la viabilidad de la operación autónoma de DSCM y muestra un gran ahorro de consumo de energía. El objetivo final es la automatización de conexiones de capa de paquete (PkC). La automatización de la capacidad requerida por las PkC puede generar una mayor reducción de costes, ya que puede limitar los recursos utilizados en la capa óptica. Sin embargo, dicha automatización requiere un diseño cuidadoso para evitar cualquier degradación de QoS, lo que afectaría acuerdos de nivel de servicio (SLA) en el caso de que el flujo de paquetes esté relacionado con alguna conexión del cliente. Estudiamos la gestión autónoma de la capacidad del flujo de paquetes. Aplicamos RL y proponemos un ciclo de vida de gestión con tres fases: 1) un enfoque basado en umbrales auto ajustados para configurar la conexión hasta que se recopilen suficientes datos, lo que permite comprender las características del tráfico; 2) operación RL basada en modelos pre-entrenados con perfiles de tráfico genéricos; y 3) operación de RL en base a modelos entrenados con el tránsito observado. Mostramos que los algoritmos de RL ofrecen un desempeño deficiente hasta que aprenden las políticas óptimas, así cuando las características del tráfico cambian con el tiempo. El ciclo de vida propuesto proporciona un rendimiento notable desde el inicio de la conexión y muestra la robustez frente a cambios en el tráfico. La contribución es doble: 1) proponemos una solución basada en RL que muestra un rendimiento superior que la solución basada en predicción; y 2) debido a que los vLinks admiten conexiones de paquetes, se propone la coordinación entre las intenciones de ambas capas. En este caso, la intención de vLink utiliza las acciones realizadas por los PkC individuales. Los resultados muestran un rendimiento notable en comparación con la operación independiente de vLink.Postprint (published version

Dynamic bandwidth allocation in multi-class IP networks using utility functions.

PhDAbstact not availableFujitsu Telecommunications Europe Lt

Resource management research in ethernet passive optical networks

The last decades, we have witnessed different phenomenology in the telecommunications sector. One of them is the widespread use of the Internet, which has brought a sharp increase in traffic, forcing suppliers to continuously expand the capacity of networks. In the near future, Internet will be composed of long-range highspeed optical networks; a number of wireless networks at the edge; and, in between, several access technologies. Today one of the main problems of the Internet is the bottleneck in the access segment. To address this issue the Passive Optical Networks (PONs) are very likely to succeed, due to their simplicity, low-cost, and increased bandwidth. A PON is made up of fiber optic cabling and passive splitters and couplers that distribute an optical signal to connectors that terminate each fiber segment. Among the different PON technologies, the Ethernet-PON (EPON) is a great alternative to satisfy operator and user needs, due to its cost, flexibility and interoperability with other technologies. One of the most interesting challenges in such technologies relates to the scheduling and allocation of resources in the upstream (shared) channel, i.e., the resource management. The aim of this thesis is to study and evaluate current contributions and propose new efficient solutions to address the resource management issues mainly in EPON. Key issues in this context are future end-user needs, quality of service (QoS) support, energy-saving and optimized service provisioning for real-time and elastic flows. This thesis also identifies research opportunities, issue recommendations and proposes novel mechanisms associated with access networks based on optical fiber technologies.Postprint (published version

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

A Quality of Service framework for upstream traffic in LTE across an XG-PON backhaul

Passive Optical Networks (PON) are promising as a transport network technology due to the high network capacity, long reach and strong QoS support in the latest PON standards. Long Term Evolution (LTE) is a popular wireless technology for its large data rates in the last mile. The natural integration of LTE and XG-PON, which is one of the latest standards of PON, presents several challenges for XG-PON to satisfy the backhaul QoS requirements of aggregated upstream LTE applications. This thesis proves that a dedicated XG-PON-based backhaul is capable of ensuring the QoS treatment required by different upstream application types in LTE, by means of standard-compliant Dynamic Bandwidth Allocation (DBA) mechanisms. First the design and evaluation of a standard-compliant, robust and fast XG-PON simulation module developed for the state-of-the-art ns-3 network simulator is presented in the thesis. This XG-PON simulation module forms a trustworthy and large-scale simulation platform for the evaluations in the rest of the thesis, and has been released for use by the scientific community. The design and implementation details of the XGIANT DBA, which provides standard complaint QoS treatment in an isolated XG-PON network, are then presented in the thesis along with comparative evaluations with the recently-published EBU DBA. The evaluations explored the ability of both XGIANT and EBU in terms of queuing-delay and throughput assurances for different classes of simplified (deterministic) traffic models, for a range of upstream loading in XG-PON. The evaluation of XGIANT and EBU DBAs are then presented for the context of a dedicated XG-PON backhaul in LTE with regard to the influence of standard-compliant and QoS-aware DBAs on the performance of large-scale, UDP-based applications. These evaluations disqualify both XGIANT and EBU DBAs in providing prioritised queuing delay performances for three upstream application types (conversational voice, peer-to-peer video and best-effort Internet) in LTE; the evaluations also indicate the need to have more dynamic and efficient QoS policies, along with an improved fairness policy in a DBA used in the dedicated XG-PON backhaul to ensure the QoS requirements of the upstream LTE applications in the backhaul. Finally, the design and implementation details of two standard-compliant DBAs, namely Deficit XGIANT (XGIANT-D) and Proportional XGIANT (XGIANT-P), which provide the required QoS treatment in the dedicated XG-PON backhaul for all three application types in the LTE upstream are presented in the thesis. Evaluations of the XGIANT-D and XGIANT-P DBAs presented in the thesis prove the ability of the fine-tuned QoS and fairness policies in the DBAs in ensuring prioritised and fair queuing-delay and throughput efficiency for UDP- and TCP-based applications, generated and aggregated based on realistic conditions in the LTE upstream

A framework for Traffic Engineering in software-defined networks with advance reservation capabilities

298 p.En esta tesis doctoral se presenta una arquitectura software para facilitar la introducción de técnicas de ingeniería de tráfico en redes definidas por software. La arquitectura ha sido diseñada de forma modular, de manera que soporte múltiples casos de uso, incluyendo su aplicación en redes académicas. Cabe destacar que las redes académicas se caracterizan por proporcionar servicios de alta disponibilidad, por lo que la utilización de técnicas de ingeniería de tráfico es de vital importancia a fin de garantizar la prestación del servicio en los términos acordados. Uno de los servicios típicamente prestados por las redes académicas es el establecimiento de circuitos extremo a extremo con una duración determinada en la que una serie de recursos de red estén garantizados, conocido como ancho de banda bajo demanda, el cual constituye uno de los casos de uso en ingeniería de tráfico más desafiantes. Como consecuencia, y dado que esta tesis doctoral ha sido co-financiada por la red académica GÉANT, la arquitectura incluye soporte para servicios de reserva avanzada. La solución consiste en una gestión de los recursos de red en función del tiempo, la cual mediante el empleo de estructuras de datos y algoritmos específicamente diseñados persigue la mejora de la utilización de los recursos de red a la hora de prestar este tipo de servicios. La solución ha sido validada teniendo en cuenta los requisitos funcionales y de rendimiento planteados por la red GÉANT. Así mismo, cabe destacar que la solución será utilizada en el despliegue piloto del nuevo servicio de ancho de banda bajo demanda de la red GÉANT a finales del 2017