Alocação de recursos em redes ópticas elásticas baseadas em multiplexação por divisão espacial

Orientador: Nelson Luis Saldanha da FonsecaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Tecnologias de redes ópticas baseadas em fibras mono-núcleo e mono-modo possuem limite de capacidade e não conseguem suprir a demanda crescente de largura de banda. Um forma de resolver esse problema se dá através do uso de multiplexação por divisão espacial (SDM - \textit{Space-Division Multiplexing}). A transmissão de dados em SDM ocorre através de múltiplos núcleos agrupados em um único filamento de fibra, ou utilizando múltiplos modos transversais suportados por um núcleo. A combinação da flexibilidade de redes ópticas elásticas (EON - \textit{Elastic Optical Networks}) e a alta capacidade do SDM é promissora para o futuro das redes ópticas. Na camada de enlace, quando uma nova solicitação para estabelecimento de conexão chega, é necessário fazer a reserva de recursos para realizar essa conexão. A determinação dos recursos a serem alocados é dada pela solução do problema de roteamento, alocação de núcleo e \textit{slots} (RCSA - \textit{Routing, Core and Spectrum Allocation}). Na alocação de recursos, algumas restrições devem ser respeitadas, tais como a contiguidade e continuidade dos \textit{slots} de frequência, e tolerância ao \textit{crosstalk} espacial. Estas restrições implicam em uma maior complexidade para a acomodação do tráfego das conexões. A virtualização de redes permite que redes virtuais compartilhem recursos físicos, simplificando o gerenciamento de recursos na camada óptica, oferecendo flexibilidade na alocação de recursos e segurança dos serviços. Um dos principais desafios da virtualização é configurar de forma eficiente as redes virtuais, que consiste na alocação de recursos físicos para acomodá-las. Esta tese propõe soluções para o problema do RCSA em redes SDM-EON. A primeira contribuição desta tese é um algoritmo que considera o equilíbrio entre eficiência energética e bloqueio de requisições. Propõe-se um algoritmo de agregação de tráfego em lote, capitalizando na flexibilidade temporal para satisfazer requisições com o objetivo de formar lotes de requisições, aumentando assim a probabilidade de serem atendidas as requisições em um outro momento. A segunda contribuição desta tese é direcionada para a solução do problema da fragmentação, que ocorre em cenários onde pequenos conjuntos de \textit{slots} disponíveis ficam espalhados no espectro, causando o bloqueio de novas requisição. Propõem-se um conjunto de algoritmos proativos e reativos. Os algoritmos proativos utilizam diferentes técnicas, tais como, múltiplos caminhos, priorização de núcleo e área, bem como métricas de avaliação da fragmentação na composição de caminhos. O algoritmo reativo utiliza aprendizagem de máquina para fazer um rearranjo espectral e aumentar a capacidade de prevenção da fragmentação no RCSA. A terceira contribuição desta tese é uma solução para aumentar a eficiência do compartilhamento de recursos em redes virtuais. Este problema consiste na configuração de enlaces e nós virtuais para caminhos e nós físicos, respectivamente. A solução proposta introduz uma arquitetura utilizando aprendizado de máquina, que age como um assistente no processo de configuração de redes virtuaisAbstract: Optical network technologies based on a single-core and single-mode fibers have a limited capacity and cannot provide enough resources to a constant increase of bandwidth demands. One approach to overcome this is the use of Space-Division Multiplexing (SDM) which relies on sending data through multiple cores embedded into a single strand of fiber or using multiple transverse modes supported by a core. The combination of the flexibility of Elastic Optical Networks (EONs) and the high capacity of SDM is a promising solution to cope with the bandwidth demands. At the network level, when a traffic request arrives, it needs to reserve network resources to establish it. One approach to accommodate traffic demand over optical networks is the Routing, Core and Spectrum Allocation (RCSA), in which end-to-end lightpaths are offered for each individual request. In these scenarios, during the allocation process, some constraints need to be respected, such as contiguity and continuity of slots (selected in the resource selection process), and spatial crosstalk. These constraints pose extra complexity to accommodate the requests for the lightpath establishment. As one of the possible solutions, network virtualization is capable of improving the efficiency of optical networks, by allowing virtual networks to share the resources of physical networks, simplifying the management of resource and providing flexibility in resource allocation. One of the main challenges of network virtualization is to configure a virtual network efficiently which comprises allocating physical resources to accommodate incoming virtual networks. This thesis proposes solutions to the RCSA problem and the virtual network configuration problem for SDM-EON networks. The first contribution of this thesis is an algorithm to promote an equilibrium between reduction of the network energy consumption and reduction of the blocking of requests. For this purpose, we introduce a traffic grooming algorithm using batches, which takes advantage of the deadline of each request to form batches, increasing the chances of the requests to be established at another time. The second contribution of this thesis is a set of algorithms using different techniques to handle the fragmentation problem, where a small portion of available slot sequences end up scattered in a fiber link, blocking future requests, called the fragmentation problem. For this purpose, we propose proactive and reactive algorithms. Proactive algorithms use different techniques, such as multipath routing, core, and area prioritization, and metrics to use in the route selection process. The reactive algorithm uses machine learning to rearrange the spectrum and tune the RCSA algorithm to prevent the fragmentation. The third contribution of this thesis proposes a solution to improve resource sharing in network virtualization. This problem consists in configuring virtual links and nodes to physical nodes and paths. For this purpose, we propose a learning assistant control loop to handle the virtual network configuration problemMestradoCiência da ComputaçãoMestra em Ciência da Computação131025/2017-1CNP

Protection in space division multiplexing elastic optical networks

Orientador: Nelson Luis Saldanha da FonsecaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: A multiplexação por divisão espacial é uma solução promissora para que as redes ópticas elásticas possam lidar com o esgotamento esperado da capacidade das redes de único núcleo. A introdução da multiplexação por divisão espacial em redes ópticas traz novos desafios para proteção de redes, uma vez que um caminho de luz pode abranger uma alta capacidade e transmitir dados a diferentes taxas. Adicionalmente, a enorme quantidade de tráfego nestas redes provocam a necessidade de proteção contra falhas, uma vez que essas são relativamente frequentes; atualmente, a taxa de falha de um corte de fibra é uma a cada quatro dias. Muitos estudos sobre redes ópticas têm sido desenvolvidos e relatados na literatura. No entanto, apenas recentemente, o estudo de multiplexação espacial para redes ópticas elásticas tem sido considerado. Nesse contexto, embora algoritmos de roteamento e alocação de núcleo e espectro tenham sido propostos na literatura, poucos trabalhos consideram proteção. Além disso, o compartilhamento de recursos de backup não é considerado. Nesta tese, propõe-se soluções de proteção em redes ópticas elásticas com multiplexação espacial, visando a redução do bloqueio de requisições para estabelecimento de conexão, o melhoramento da utilização dos recursos em redes ópticas elásticas com multiplexação espacial, considerando diferentes cenários de carga e topologias. Para tal, o problema de proteção destas redes levará em consideração a utilização de caminhos de proteção, diferentes formatos de modulação, o uso de agregação de tráfego, o uso de sobreposição de espectro em caminhos de proteção, interferência mínima e roteamento multicaminho. Diversos algoritmos foram propostos e avaliados para prover 100% de proteção contra ocorrência de uma falha, bem como um algoritmo para proteção contra duas falhas simultâneas. Os resultados indicam que os algoritmos propostos produzem um melhor desempenho quando comparado ao desempenho dos algoritmos existentes na literaturaAbstract: Spatial division multiplexing is a promising solution proposed for elastic optical networks to cope with the expected depletion of the capacity of single core networks. The introduction of space division multiplexing in optical networks brings new challenges for network protection since a lightpath can span high capacity and transmit data at different rates. In addition, there is the great need for protection mechanisms against failure due to the high volume of traffic carried in these networks. Failure is quite frequent in operational optical networks, it is estimated that there is a failure every four hours. Several studies on optical networks have been carried out but, only recently, the study of spatial division multiplexing for elastic optical networks has been considered. In this context, although routing, spectrum, and core allocation algorithms have been proposed in the literature, only a few papers consider protection. In addition, sharing of backup resources is not considered. In this thesis, it is proposed to provide protection solutions in spatial division multiplexing elastic optical networks, for reducing the blocking of requests for connection establishment, as well as improving the use of resources, considering different load scenarios and topologies. For this, the protection problem of these networks will take into consideration the use of protection paths, different modulation formats, the use of traffic grooming, the use of spectrum overlap in protection paths, minimum interference and multipath routing. Several algorithms are proposed in this thesis to provide 100% protection against a single failure and one algorithm for two simultaneous failure. results indicate that these algorithms overperform existing onesDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutor em Ciência da Computação165446/2015-3CNPQCAPE