A Survey on the Path Computation Element (PCE) Architecture

Quality of Service-enabled applications and services rely on Traffic Engineering-based (TE) Label Switched Paths (LSP) established in core networks and controlled by the GMPLS control plane. Path computation process is crucial to achieve the desired TE objective. Its actual effectiveness depends on a number of factors. Mechanisms utilized to update topology and TE information, as well as the latency between path computation and resource reservation, which is typically distributed, may affect path computation efficiency. Moreover, TE visibility is limited in many network scenarios, such as multi-layer, multi-domain and multi-carrier networks, and it may negatively impact resource utilization. The Internet Engineering Task Force (IETF) has promoted the Path Computation Element (PCE) architecture, proposing a dedicated network entity devoted to path computation process. The PCE represents a flexible instrument to overcome visibility and distributed provisioning inefficiencies. Communications between path computation clients (PCC) and PCEs, realized through the PCE Protocol (PCEP), also enable inter-PCE communications offering an attractive way to perform TE-based path computation among cooperating PCEs in multi-layer/domain scenarios, while preserving scalability and confidentiality. This survey presents the state-of-the-art on the PCE architecture for GMPLS-controlled networks carried out by research and standardization community. In this work, packet (i.e., MPLS-TE and MPLS-TP) and wavelength/spectrum (i.e., WSON and SSON) switching capabilities are the considered technological platforms, in which the PCE is shown to achieve a number of evident benefits

Software Defined Applications in Cellular and Optical Networks

abstract: Small wireless cells have the potential to overcome bottlenecks in wireless access through the sharing of spectrum resources. A novel access backhaul network architecture based on a Smart Gateway (Sm-GW) between the small cell base stations, e.g., LTE eNBs, and the conventional backhaul gateways, e.g., LTE Servicing/Packet Gateways (S/P-GWs) has been introduced to address the bottleneck. The Sm-GW flexibly schedules uplink transmissions for the eNBs. Based on software defined networking (SDN) a management mechanism that allows multiple operator to flexibly inter-operate via multiple Sm-GWs with a multitude of small cells has been proposed. This dissertation also comprehensively survey the studies that examine the SDN paradigm in optical networks. Along with the PHY functional split improvements, the performance of Distributed Converged Cable Access Platform (DCCAP) in the cable architectures especially for the Remote-PHY and Remote-MACPHY nodes has been evaluated. In the PHY functional split, in addition to the re-use of infrastructure with a common FFT module for multiple technologies, a novel cross functional split interaction to cache the repetitive QAM symbols across time at the remote node to reduce the transmission rate requirement of the fronthaul link has been proposed.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Towards a cloud enabler : from an optical network resource provisioning system to a generalized architecture for dynamic infrastructure services provisioning

This work was developed during a period where most of the optical management and provisioning system where manual and proprietary. This work contributed to the evolution of the state of the art of optical networks with new architectures and advanced virtual infrastructure services. The evolution of optical networks, and internet globally, have been very promising during the last decade. The impact of mobile technology, grid, cloud computing, HDTV, augmented reality and big data, among many others, have driven the evolution of optical networks towards current service technologies, mostly based on SDN (Software Defined Networking) architectures and NFV(Network Functions Virtualisation). Moreover, the convergence of IP/Optical networks and IT services, and the evolution of the internet and optical infrastructures, have generated novel service orchestrators and open source frameworks. In fact, technology has evolved that fast that none could foresee how important Internet is for our current lives. Said in other words, technology was forced to evolve in a way that network architectures became much more transparent, dynamic and flexible to the end users (applications, user interfaces or simple APIs). This Thesis exposes the work done on defining new architectures for Service Oriented Networks and the contribution to the state of the art. The research work is divided into three topics. It describes the evolution from a Network Resource Provisioning System to an advanced Service Plane, and ends with a new architecture that virtualized the optical infrastructure in order to provide coordinated, on-demand and dynamic services between the application and the network infrastructure layer, becoming an enabler for the new generation of cloud network infrastructures. The work done on defining a Network Resource Provisioning System established the first bases for future work on network infrastructure virtualization. The UCLP (User Light Path Provisioning) technology was the first attempt for Customer Empowered Networks and Articulated Private Networks. It empowered the users and brought virtualization and partitioning functionalities into the optical data plane, with new interfaces for dynamic service provisioning. The work done within the development of a new Service Plane allowed the provisioning of on-demand connectivity services from the application, and in a multi-domain and multi-technology scenario based on a virtual network infrastructure composed of resources from different infrastructure providers. This Service Plane facilitated the deployment of applications consuming large amounts of data under deterministic conditions, so allowing the networks behave as a Grid-class resource. It became the first on-demand provisioning system that at lower levels allowed the creation of one virtual domain composed from resources of different providers. The last research topic presents an architecture that consolidated the work done in virtualisation while enhancing the capabilities to upper layers, so fully integrating the optical network infrastructure into the cloud environment, and so providing an architecture that enabled cloud services by integrating the request of optical network and IT infrastructure services together at the same level. It set up a new trend into the research community and evolved towards the technology we use today based on SDN and NFV. Summing up, the work presented is focused on the provisioning of virtual infrastructures from the architectural point of view of optical networks and IT infrastructures, together with the design and definition of novel service layers. It means, architectures that enabled the creation of virtual infrastructures composed of optical networks and IT resources, isolated and provisioned on-demand and in advance with infrastructure re-planning functionalities, and a new set of interfaces to open up those services to applications or third parties.Aquesta tesi es va desenvolupar durant un període on la majoria de sistemes de gestió de xarxa òptica eren manuals i basats en sistemes propietaris. En aquest sentit, la feina presentada va contribuir a l'evolució de l'estat de l'art de les xarxes òptiques tant a nivell d’arquitectures com de provisió d’infraestructures virtuals. L'evolució de les xarxes òptiques, i d'Internet a nivell mundial, han estat molt prometedores durant l'última dècada. L'impacte de la tecnologia mòbil, la computació al núvol, la televisió d'alta definició, la realitat augmentada i el big data, entre molts altres, han impulsat l'evolució cap a xarxes d’altes prestacions amb nous serveis basats en SDN (Software Defined Networking) i NFV (Funcions de xarxa La virtualització). D'altra banda, la convergència de xarxes òptiques i els serveis IT, junt amb l'evolució d'Internet i de les infraestructures òptiques, han generat nous orquestradors de serveis i frameworks basats en codi obert. La tecnologia ha evolucionat a una velocitat on ningú podria haver predit la importància que Internet està tenint en el nostre dia a dia. Dit en altres paraules, la tecnologia es va veure obligada a evolucionar d'una manera on les arquitectures de xarxa es fessin més transparent, dinàmiques i flexibles vers als usuaris finals (aplicacions, interfícies d'usuari o APIs simples). Aquesta Tesi presenta noves arquitectures de xarxa òptica orientades a serveis. El treball de recerca es divideix en tres temes. Es presenta un sistema de virtualització i aprovisionament de recursos de xarxa i la seva evolució a un pla de servei avançat, per acabar presentant el disseny d’una nova arquitectura capaç de virtualitzar la infraestructura òptica i IT i proporcionar serveis de forma coordinada, i sota demanda, entre l'aplicació i la capa d'infraestructura de xarxa òptica. Tot esdevenint un facilitador per a la nova generació d'infraestructures de xarxa en el núvol. El treball realitzat en la definició del sistema de virtualització de recursos va establir les primeres bases sobre la virtualització de la infraestructura de xarxa òptica en el marc de les “Customer Empowered Networks” i “Articulated Private Networks”. Amb l’objectiu de virtualitzar el pla de dades òptic, i oferir noves interfícies per a la provisió de serveis dinàmics de xarxa. En quant al pla de serveis presentat, aquest va facilitat la provisió de serveis de connectivitat sota demanda per part de l'aplicació, tant en entorns multi-domini, com en entorns amb múltiples tecnologies. Aquest pla de servei, anomenat Harmony, va facilitar el desplegament de noves aplicacions que consumien grans quantitats de dades en condicions deterministes. En aquest sentit, va permetre que les xarxes es comportessin com un recurs Grid, i per tant, va esdevenir el primer sistema d'aprovisionament sota demanda que permetia la creació de dominis virtuals de xarxa composts a partir de recursos de diferents proveïdors. Finalment, es presenta l’evolució d’un pla de servei cap una arquitectura global que consolida el treball realitzat a nivell de convergència d’infraestructures (òptica + IT) i millora les capacitats de les capes superiors. Aquesta arquitectura va facilitar la plena integració de la infraestructura de xarxa òptica a l'entorn del núvol. En aquest sentit, aquest resultats van evolucionar cap a les tendències actuals de SDN i NFV. En resum, el treball presentat es centra en la provisió d'infraestructures virtuals des del punt de vista d’arquitectures de xarxa òptiques i les infraestructures IT, juntament amb el disseny i definició de nous serveis de xarxa avançats, tal i com ho va ser el servei de re-planificació dinàmicaPostprint (published version

Characterization, design and re-optimization on multi-layer optical networks

L'augment de volum de tràfic IP provocat per l'increment de serveis multimèdia com HDTV o vídeo conferència planteja nous reptes als operadors de xarxa per tal de proveir transmissió de dades eficient. Tot i que les xarxes mallades amb multiplexació per divisió de longitud d'ona (DWDM) suporten connexions òptiques de gran velocitat, aquestes xarxes manquen de flexibilitat per suportar tràfic d’inferior granularitat, fet que provoca un pobre ús d'ample de banda. Per fer front al transport d'aquest tràfic heterogeni, les xarxes multicapa representen la millor solució. Les xarxes òptiques multicapa permeten optimitzar la capacitat mitjançant l'empaquetament de connexions de baixa velocitat dins de connexions òptiques de gran velocitat. Durant aquesta operació, es crea i modifica constantment una topologia virtual dinàmica gràcies al pla de control responsable d’aquestes operacions. Donada aquesta dinamicitat, un ús sub-òptim de recursos pot existir a la xarxa en un moment donat. En aquest context, una re-optimizació periòdica dels recursos utilitzats pot ser aplicada, millorant així l'ús de recursos. Aquesta tesi està dedicada a la caracterització, planificació, i re-optimització de xarxes òptiques multicapa de nova generació des d’un punt de vista unificat incloent optimització als nivells de capa física, capa òptica, capa virtual i pla de control. Concretament s'han desenvolupat models estadístics i de programació matemàtica i meta-heurístiques. Aquest objectiu principal s'ha assolit mitjançant cinc objectius concrets cobrint diversos temes oberts de recerca. En primer lloc, proposem una metodologia estadística per millorar el càlcul del factor Q en problemes d'assignació de ruta i longitud d'ona considerant interaccions físiques (IA-RWA). Amb aquest objectiu, proposem dos models estadístics per computar l'efecte XPM (el coll d'ampolla en termes de computació i complexitat) per problemes IA-RWA, demostrant la precisió d’ambdós models en el càlcul del factor Q en escenaris reals de tràfic. En segon lloc i fixant-nos a la capa òptica, presentem un nou particionament del conjunt de longituds d'ona que permet maximitzar, respecte el cas habitual, la quantitat de tràfic extra proveït en entorns de protecció compartida. Concretament, definim diversos models estadístics per estimar la quantitat de tràfic donat un grau de servei objectiu, i diferents models de planificació de xarxa amb l'objectiu de maximitzar els ingressos previstos i el valor actual net de la xarxa. Després de resoldre aquests problemes per xarxes reals, concloem que la nostra proposta maximitza ambdós objectius. En tercer lloc, afrontem el disseny de xarxes multicapa robustes davant de fallida simple a la capa IP/MPLS i als enllaços de fibra. Per resoldre aquest problema eficientment, proposem un enfocament basat en sobre-dimensionar l'equipament de la capa IP/MPLS i recuperar la connectivitat i el comparem amb la solució convencional basada en duplicar la capa IP/MPLS. Després de comparar solucions mitjançant models ILP i heurístiques, concloem que la nostra solució permet obtenir un estalvi significatiu en termes de costos de desplegament. Com a quart objectiu, introduïm un mecanisme adaptatiu per reduir l'ús de ports opto-electrònics (O/E) en xarxes multicapa sota escenaris de tràfic dinàmic. Una formulació ILP i diverses heurístiques són desenvolupades per resoldre aquest problema, que permet reduir significativament l’ús de ports O/E en temps molt curts. Finalment, adrecem el problema de disseny resilient del pla de control GMPLS. Després de proposar un nou model analític per quantificar la resiliència en topologies mallades de pla de control, usem aquest model per proposar un problema de disseny de pla de control. Proposem un procediment iteratiu lineal i una heurística i els usem per resoldre instàncies reals, arribant a la conclusió que es pot reduir significativament la quantitat d'enllaços del pla de control sense afectar la qualitat de servei a la xarxa.The explosion of IP traffic due to the increase of IP-based multimedia services such as HDTV or video conferencing poses new challenges to network operators to provide a cost-effective data transmission. Although Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) meshed transport networks support high-speed optical connections, these networks lack the flexibility to support sub-wavelength traffic leading to poor bandwidth usage. To cope with the transport of that huge and heterogeneous amount of traffic, multilayer networks represent the most accepted architectural solution. Multilayer optical networks allow optimizing network capacity by means of packing several low-speed traffic streams into higher-speed optical connections (lightpaths). During this operation, a dynamic virtual topology is created and modified the whole time thanks to a control plane responsible for the establishment, maintenance, and release of connections. Because of this dynamicity, a suboptimal allocation of resources may exist at any time. In this context, a periodically resource reallocation could be deployed in the network, thus improving network resource utilization. This thesis is devoted to the characterization, planning, and re-optimization of next-generation multilayer networks from an integral perspective including physical layer, optical layer, virtual layer, and control plane optimization. To this aim, statistical models, mathematical programming models and meta-heuristics are developed. More specifically, this main objective has been attained by developing five goals covering different open issues. First, we provide a statistical methodology to improve the computation of the Q-factor for impairment-aware routing and wavelength assignment problems (IA-RWA). To this aim we propose two statistical models to compute the Cross-Phase Modulation variance (which represents the bottleneck in terms of computation time and complexity) in off-line and on-line IA-RWA problems, proving the accuracy of both models when computing Q-factor values in real traffic scenarios. Second and moving to the optical layer, we present a new wavelength partitioning scheme that allows maximizing the amount of extra traffic provided in shared path protected environments compared with current solutions. Specifically, we define several statistical models to estimate the traffic intensity given a target grade of service, and different network planning problems for maximizing the expected revenues and net present value. After solving these problems for real networks, we conclude that our proposed scheme maximizes both revenues and NPV. Third, we tackle the design of survivable multilayer networks against single failures at the IP/MPLS layer and WSON links. To efficiently solve this problem, we propose a new approach based on over-dimensioning IP/MPLS devices and lightpath connectivity and recovery and we compare it against the conventional solution based on duplicating backbone IP/MPLS nodes. After evaluating both approaches by means of ILP models and heuristic algorithms, we conclude that our proposed approach leads to significant CAPEX savings. Fourth, we introduce an adaptive mechanism to reduce the usage of opto-electronic (O/E) ports of IP/MPLS-over-WSON multilayer networks in dynamic scenarios. A ILP formulation and several heuristics are developed to solve this problem, which allows significantly reducing the usage of O/E ports in very short running times. Finally, we address the design of resilient control plane topologies in GMPLS-enabled transport networks. After proposing a novel analytical model to quantify the resilience in mesh control plane topologies, we use this model to propose a problem to design the control plane topology. An iterative model and a heuristic are proposed and used to solve real instances, concluding that a significant reduction in the number of control plane links can be performed without affecting the quality of service of the network

Optical core networks research in the e-Photon-ONe+ project

This paper reports a summary of the joint research activities on Optical Core Networks within the e-Photon-ONe+ project. It provides a reasonable overview of the topics considered of interest by the European research community and supports the idea of building joint research activities that can leverage on the expertise of different research groups. © 2009 IEEE

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