Particle swarm optimization for routing and wavelength assignment in next generation WDM networks.

PhDAll-optical Wave Division Multiplexed (WDM) networking is a promising technology for long-haul backbone and large metropolitan optical networks in order to meet the non-diminishing bandwidth demands of future applications and services. Examples could include archival and recovery of data to/from Storage Area Networks (i.e. for banks), High bandwidth medical imaging (for remote operations), High Definition (HD) digital broadcast and streaming over the Internet, distributed orchestrated computing, and peak-demand short-term connectivity for Access Network providers and wireless network operators for backhaul surges. One desirable feature is fast and automatic provisioning. Connection (lightpath) provisioning in optically switched networks requires both route computation and a single wavelength to be assigned for the lightpath. This is called Routing and Wavelength Assignment (RWA). RWA can be classified as static RWA and dynamic RWA. Static RWA is an NP-hard (non-polynomial time hard) optimisation task. Dynamic RWA is even more challenging as connection requests arrive dynamically, on-the-fly and have random connection holding times. Traditionally, global-optimum mathematical search schemes like integer linear programming and graph colouring are used to find an optimal solution for NP-hard problems. However such schemes become unusable for connection provisioning in a dynamic environment, due to the computational complexity and time required to undertake the search. To perform dynamic provisioning, different heuristic and stochastic techniques are used. Particle Swarm Optimisation (PSO) is a population-based global optimisation scheme that belongs to the class of evolutionary search algorithms and has successfully been used to solve many NP-hard optimisation problems in both static and dynamic environments. In this thesis, a novel PSO based scheme is proposed to solve the static RWA case, which can achieve optimal/near-optimal solution. In order to reduce the risk of premature convergence of the swarm and to avoid selecting local optima, a search scheme is proposed to solve the static RWA, based on the position of swarm‘s global best particle and personal best position of each particle. To solve dynamic RWA problem, a PSO based scheme is proposed which can provision a connection within a fraction of a second. This feature is crucial to provisioning services like bandwidth on demand connectivity. To improve the convergence speed of the swarm towards an optimal/near-optimal solution, a novel chaotic factor is introduced into the PSO algorithm, i.e. CPSO, which helps the swarm reach a relatively good solution in fewer iterations. Experimental results for PSO/CPSO based dynamic RWA algorithms show that the proposed schemes perform better compared to other evolutionary techniques like genetic algorithms, ant colony optimization. This is both in terms of quality of solution and computation time. The proposed schemes also show significant improvements in blocking probability performance compared to traditional dynamic RWA schemes like SP-FF and SP-MU algorithms

Architecture and prototype of an optical UNI for the GIGA network

Orientador: Mauricio Ferreira MagalhãesDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de ComputaçãoResumo: Os principais interesses do Projeto GIGA são o desenvolvimento de Tecnologias de Redes Ópticas, Serviços e Aplicações de Rede, Serviços Experimentais de Telecomunicações e Aplicações Científicas. No contexto deste Projeto, nosso grupo de pesquisa tem trabalhado no desenvolvimento de um Plano de Controle IP/WDM para integrar a Rede Cliente IP/MPLS com a Rede Óptica de Transporte WDM, de acordo com as especificações GMPLS e ASON. Especificamente neste trabalho é proposta uma Arquitetura para a UNI (User Network Interface) independente de protocolo de sinalização para prover a integralização entre as Redes Cliente e a Rede Óptica de Transporte. A Arquitetura da UNI proposta neste trabalho mantém inalterada a semântica de sinalização das redes cliente e de transporte da rede de testes do Projeto GIGA. Esta dissertação descreve como a Arquitetura desenvolvida suporta a independência quanto ao protocolo de sinalização e apresenta o protótipo implementado para validar a Arquitetura propostaAbstract: The main interests of the GIGA Project are the deployment of Optical Network Technology, Network Services and Applications, Experimental Telecommunication Services and Scientific Applications. In the context of this Project, our research group has been working on the design of an IP/WDMControl Plane to integrate the IP/MPLS Client Network with the Optical Transport Network (WDM), according to the GMPLS and ASON specifications. Specifically in this work is proposed a signaling protocol independent UNI (User Network Interface) architecture to integrate the Client and the Optical Transport Networks. The proposed UNI architecture maintains unchanged the client and transport networks signaling semantics for the GIGA testbed network. This dissertation describes how the designed architecture supports the independence of the signaling protocol and presents the prototype implemented to validate the architectureMestradoEngenharia de ComputaçãoMestre em Engenharia Elétric

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

On the resource abstraction, partitioning and composition for virtual GMPLS-controlled multi-layer optical networks

Virtual optical networking supports the dynamic provisioning of dedicated networks over the same network infrastructure, which has received a lot of attention by network providers. The stringent network requirements (e.g., Quality of Service -QoS-, Service Level Agreement -SLA-, dynamicity) of the emerging high bandwidth and dynamic applications such as high-definition video streaming (e.g., telepresence, television, remote surgery, etc.), and cloud computing (e.g., real-time data backup, remote desktop, etc.) can be supported by the deployment of dynamic infrastructure services to build ad-hoc Virtual Optical Networks (VON), which is known as Infrastructure as a Service (IaaS). Future Internet should support two separate entities: infrastructure providers (who manage the physical infrastructure) and service providers (who deploy network protocols and offer end-to-end services). Thus, network service providers shall request, on a per-need basis, a dedicated and application-specific VON and have full control over it. Optical network virtualization technologies allow the partitioning/composition of the network infrastructure (i.e., physical optical nodes and links) into independent virtual resources, adopting the same functionality as the physical resource. The composition of these virtual resources (i.e., virtual optical nodes and links) allows the deployment of multiple VONs. A VON must be composed of not only a virtual transport plane but also of a virtual control plane, with the purpose of providing the required independent and full control functionalities (i.e., automated connection provisioning and recovery (protection/restauration), traffic engineering (e.g., QoS, SLA), etc.). This PhD Thesis focuses on optical network virtualization, with three main objectives. The first objective consists on the design, implementation and evaluation of an architecture and the necessary protocols and interfaces for the virtualization of a Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) controlled Wavelength Switched Optical Network (WSON) and the introduction of a resource broker for dynamic virtual GMPLS-controlled WSON infrastructure services, whose task is to dynamically deploy VONs from service provider requests. The introduction of a resource broker implies the need for virtual resource management and allocation algorithms for optimal usage of the shared physical infrastructure. Also, the deployment of independent virtual GMPLS control plane on top of each VON shall be performed by the resource broker. This objective also includes the introduction of optical network virtualization for Elastic Optical Networks (EON). The second objective is to design, implement and experimentally evaluate a system architecture for deploying virtual GMPLS-controlled Multi-Protocol Label Switching Transport Profile (MPLS-TP) networks over a shared WSON. With this purpose, this PhD Thesis also focuses on the design and development of MPLS-TP nodes which are deployed on the WSON of the ADRENALINE Testbed at CTTC premises. Finally, the third objective is the composition of multiple virtual optical networks with heterogeneous control domains (e.g., GMPLS, OpenFlow). A multi-domain resource broker has been designed, implemented and evaluated.La gestió de xarxes òptiques virtuals permet la provisió dinàmica de xarxes dedicades a sobre la mateixa infraestructura de xarxa i ha cridat molt l’atenció als proveïdors de xarxes. Els requisits de xarxa (per exemple la qualitat de servei, els acords de nivell de servei o la dinamicitat) són cada cop més astringents per a les aplicacions emergents d'elevat ample de banda i dinàmiques, que inclouen per exemple la reproducció en temps real de vídeo d'alta definició (telepresència, televisió, telemedicina) i serveis d’informàtica en núvol (còpies de seguretat en temps real, escriptori remot). Aquests requisits poden ser assolits a través del desplegament de serveis de infraestructura dinàmics per construir xarxes òptiques virtuals (VON, en anglès), fet que és conegut com a infraestructura com a servei (IaaS). La internet del futur hauria de suportar dos entitats diferenciades: els proveïdors d'infraestructures (responsables de gestionar la infraestructura física), i els proveïdors de serveis (responsables dels protocols de xarxa i d'oferir els serveis finals). D'aquesta forma els proveïdors de serveis podrien sol•licitar i gestionar en funció de les necessitats xarxes òptiques virtuals dedicades i específiques per les aplicacions. Les tecnologies de virtualització de xarxes òptiques virtuals permeten la partició i composició de infraestructura de xarxa (nodes i enllaços òptics) en recursos virtuals independents que adopten les mateixes funcionalitats que els recursos físics. La composició d'aquests recursos virtuals (nodes i enllaços òptics virtuals) permet el desplegament de múltiples VONs. Una VON no sols està composada per un pla de transport virtual, sinó també per un pla de control virtual, amb l'objectiu d'incorporar les funcionalitats necessàries a la VON (provisió de connexions automàtiques i recuperació (protecció/restauració), enginyeria de tràfic, etc.). Aquesta tesis es centra en la virtualització de xarxes òptiques amb tres objectius principals. El primer objectiu consisteix en el disseny, implementació i avaluació de l'arquitectura i els protocols i interfícies necessaris per la virtualització de xarxes encaminades a través de la longitud d'ona i controlades per GMPLS. També inclou la introducció d'un gestor de recursos per desplegar xarxes òptiques virtuals de forma dinàmica. La introducció d'aquest gestor de recursos implica la necessitat d'una gestió dels recursos virtuals i d’algoritmes d’assignació de recursos per a la utilització òptima dels recursos físics. A més el gestor de recursos ha de ser capaç del desplegament dels recursos assignats, incloent un pla de control GMPLS virtual independent per a cada VON desplegada. Finalment, aquest objectiu inclou la introducció de mecanismes de virtualització per a xarxes elàstiques òptiques (EON, en anglès). El segon objectiu és el disseny, la implementació i l’avaluació experimental d'una arquitectura de sistema per oferir xarxes MPLS-TP virtuals controlades per GMPLS sobre una infraestructura i WSON compartida. Per això, aquesta tesis també es centra en el disseny i desenvolupament d'un node MPLS-TP que ha estat desplegat al demostrador ADRENALINE, al CTTC. Finalment, el tercer objectiu és la composició de múltiples xarxes òptiques virtuals en dominis de control heterogenis (GMPLS i OpenFlow). Un gestor de recursos multi-domini ha estat dissenyat, implementat i avaluat.La gestión de redes ópticas virtuales permite la provisión dinámica de redes dedicadas encima la misma infraestructura de red y ha llamado mucho la atención a los proveedores de redes. Los requisitos de red (por ejemplo la calidad de servicio, los acuerdos de nivel de servicio o la dinamicidad) son cada vez más estringentes para las aplicaciones emergentes de elevado ancho de banda y dinámicas, que incluyen por ejemplo la reproducción en tiempo real de vídeo de alta definición (telepresencia, televisión, telemedicina) y servicios de computación en la nube (copias de seguridad en tiempo real, escritorio remoto). Estos requisitos pueden ser logrados a través del despliegue de servicios de infraestructura dinámicos para construir redes ópticas virtuales (VON, en inglés), hecho que es conocido como infraestructura como servicio (IaaS). La internet del futuro tendrá que soportar dos entidades diferenciadas: los proveedores de infraestructuras (responsables de gestionar la infraestructura física), y los proveedores de servicios (responsables de los protocolos de red y de ofrecer los servicios finales). De esta forma los proveedores de servicios podrán solicitar y gestionar en función de las necesitados redes ópticas virtuales dedicadas y específicas por las aplicaciones. Las tecnologías de virtualización de redes ópticas virtuales permiten la partición y composición de infraestructura de red (nodos y enlaces ópticos) en recursos virtuales independientes que adoptan las mismas funcionalidades que los recursos físicos. La composición de estos recursos virtuales (nodos y enlaces ópticos virtuales) permite el despliegue de múltiples VONs. Una VON no sólo está compuesta por un plan de transporte virtual, sino también por un plan de control virtual, con el objetivo de incorporar las funcionalidades necesarias a la VON (provisión de conexiones automáticas y recuperación (protección/restauración), ingeniería de tráfico, etc.). Esta tesis se centra en la virtualización de redes ópticas con tres objetivos principales. El primer objetivo consiste en el diseño, implementación y evaluación de la arquitectura y los protocolos e interfaces necesarios por la virtualización de redes encaminadas a través de la longitud de ola y controladas por GMPLS. También incluye la introducción de un gestor de recursos para desplegar redes ópticas virtuales de forma dinámica. La introducción de este gestor de recursos implica la necesidad de una gestión de los recursos virtuales y de algoritmos de asignación de recursos para la utilización óptima de los recursos físicos. Además el gestor de recursos tiene que ser capaz del despliegue de los recursos asignados, incluyendo un plan de control GMPLS virtual independiente para cada VON desplegada. Finalmente, este objetivo incluye la introducción de mecanismos de virtualización para redes elásticas ópticas (EON, en inglés). El segundo objetivo es el diseño, la implementación y la evaluación experimental de una arquitectura de sistema para ofrecer redes MPLS-TP virtuales controladas por GMPLS sobre una infraestructura WSON compartida. Por eso, esta tesis también se centra en el diseño y desarrollo de un nodo MPLS-TP que ha sido desplegado al demostrador ADRENALINE, en el CTTC. Finalmente, el tercer objetivo es la composición de múltiples redes ópticas virtuales en dominios de control heterogéneos (GMPLS y OpenFlow). Un gestor de recursos multi-dominio ha sido diseñado, implementado y evaluado

An ontology-based approach toward the configuration of heterogeneous network devices

Despite the numerous efforts of standardization, semantic issues remain in effect in many subfields of networking. The inability to exchange data unambiguously between information systems and human resources is an issue that hinders technology implementation, semantic interoperability, service deployment, network management, technology migration, among many others. In this thesis, we will approach the semantic issues in two critical subfields of networking, namely, network configuration management and network addressing architectures. The fact that makes the study in these areas rather appealing is that in both scenarios semantic issues have been around from the very early days of networking. However, as networks continue to grow in size and complexity current practices are becoming neither scalable nor practical. One of the most complex and essential tasks in network management is the configuration of network devices. The lack of comprehensive and standard means for modifying and controlling the configuration of network elements has led to the continuous and extended use of proprietary Command Line Interfaces (CLIs). Unfortunately, CLIs are generally both, device and vendor-specific. In the context of heterogeneous network infrastructures---i.e., networks typically composed of multiple devices from different vendors---the use of several CLIs raises serious Operation, Administration and Management (OAM) issues. Accordingly, network administrators are forced to gain specialized expertise and to continuously keep knowledge and skills up to date as new features, system upgrades or technologies appear. Overall, the utilization of proprietary mechanisms allows neither sharing knowledge consistently between vendors' domains nor reusing configurations to achieve full automation of network configuration tasks---which are typically required in autonomic management. Due to this heterogeneity, CLIs typically provide a help feature which is in turn an useful source of knowledge to enable semantic interpretation of a vendor's configuration space. The large amount of information a network administrator must learn and manage makes Information Extraction (IE) and other forms of natural language analysis of the Artificial Intelligence (AI) field key enablers for the network device configuration space. This thesis presents the design and implementation specification of the first Ontology-Based Information Extraction (OBIE) System from the CLI of network devices for the automation and abstraction of device configurations. Moreover, the so-called semantic overload of IP addresses---wherein addresses are both identifiers and locators of a node at the same time---is one of the main constraints over mobility of network hosts, multi-homing and scalability of the routing system. In light of this, numerous approaches have emerged in an effort to decouple the semantics of the network addressing scheme. In this thesis, we approach this issue from two perspectives, namely, a non-disruptive (i.e., evolutionary) solution to the current Internet and a clean-slate approach for Future Internet. In the first scenario, we analyze the Locator/Identifier Separation Protocol (LISP) as it is currently one of the strongest solutions to the semantic overload issue. However, its adoption is hindered by existing problems in the proposed mapping systems. Herein, we propose the LISP Redundancy Protocol (LRP) aimed to complement the LISP framework and strengthen feasibility of deployment, while at the same time, minimize mapping table size, latency time and maximize reachability in the network. In the second scenario, we explore TARIFA a Next Generation Internet architecture and introduce a novel service-centric addressing scheme which aims to overcome the issues related to routing and semantic overload of IP addresses.A pesar de los numerosos esfuerzos de estandarización, los problemas de semántica continúan en efecto en muchas subáreas de networking. La inabilidad de intercambiar data sin ambiguedad entre sistemas es un problema que limita la interoperabilidad semántica. En esta tesis, abordamos los problemas de semántica en dos áreas: (i) la gestión de configuración y (ii) arquitecturas de direccionamiento. El hecho que hace el estudio en estas áreas de interés, es que los problemas de semántica datan desde los inicios del Internet. Sin embargo, mientras las redes continúan creciendo en tamaño y complejidad, los mecanismos desplegados dejan de ser escalabales y prácticos. Una de las tareas más complejas y esenciales en la gestión de redes es la configuración de equipos. La falta de mecanismos estándar para la modificación y control de la configuración de equipos ha llevado al uso continuado y extendido de interfaces por líneas de comando (CLI). Desafortunadamente, las CLIs son generalmente, específicos por fabricante y dispositivo. En el contexto de redes heterogéneas--es decir, redes típicamente compuestas por múltiples dispositivos de distintos fabricantes--el uso de varias CLIs trae consigo serios problemas de operación, administración y gestión. En consecuencia, los administradores de red se ven forzados a adquirir experiencia en el manejo específico de múltiples tecnologías y además, a mantenerse continuamente actualizados en la medida en que nuevas funcionalidades o tecnologías emergen, o bien con actualizaciones de sistemas operativos. En general, la utilización de mecanismos propietarios no permite compartir conocimientos de forma consistente a lo largo de plataformas heterogéneas, ni reutilizar configuraciones con el objetivo de alcanzar la completa automatización de tareas de configuración--que son típicamente requeridas en el área de gestión autonómica. Debido a esta heterogeneidad, las CLIs suelen proporcionar una función de ayuda que fundamentalmente aporta información para la interpretación semántica del entorno de configuración de un fabricante. La gran cantidad de información que un administrador debe aprender y manejar, hace de la extracción de información y otras formas de análisis de lenguaje natural del campo de Inteligencia Artificial, potenciales herramientas para la configuración de equipos en entornos heterogéneos. Esta tesis presenta el diseño y especificaciones de implementación del primer sistema de extracción de información basada en ontologías desde el CLI de dispositivos de red, para la automatización y abstracción de configuraciones. Por otra parte, la denominada sobrecarga semántica de direcciones IP--en donde, las direcciones son identificadores y localizadores al mismo tiempo--es una de las principales limitaciones sobre mobilidad, multi-homing y escalabilidad del sistema de enrutamiento. Por esta razón, numerosas propuestas han emergido en un esfuerzo por desacoplar la semántica del esquema de direccionamiento de las redes actuales. En esta tesis, abordamos este problema desde dos perspectivas, la primera de ellas una aproximación no-disruptiva (es decir, evolucionaria) al problema del Internet actual y la segunda, una nueva propuesta en torno a futuras arquitecturas del Internet. En el primer escenario, analizamos el protocolo LISP (del inglés, Locator/Identifier Separation Protocol) ya que es en efecto, una de las soluciones con mayor potencial para la resolucion del problema de semántica. Sin embargo, su adopción está limitada por problemas en los sistemas de mapeo propuestos. En esta tesis, proponemos LRP (del inglés, LISP Redundancy Protocol) un protocolo destinado a complementar LISP e incrementar la factibilidad de despliegue, a la vez que, reduce el tamaño de las tablas de mapeo, tiempo de latencia y maximiza accesibilidad. En el segundo escenario, exploramos TARIFA una arquitectura de red de nueva generación e introducimos un novedoso esquema de direccionamiento orientado a servicios

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

GMPLS-OBS interoperability and routing acalability in internet

The popularization of Internet has turned the telecom world upside down over the last two decades. Network operators, vendors and service providers are being challenged to adapt themselves to Internet requirements in a way to properly serve the huge number of demanding users (residential and business). The Internet (data-oriented network) is supported by an IP packet-switched architecture on top of a circuit-switched, optical-based architecture (voice-oriented network), which results in a complex and rather costly infrastructure to the transport of IP traffic (the dominant traffic nowadays). In such a way, a simple and IP-adapted network architecture is desired. From the transport network perspective, both Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) and Optical Burst Switching (OBS) technologies are part of the set of solutions to progress towards an IP-over-WDM architecture, providing intelligence in the control and management of resources (i.e. GMPLS) as well as a good network resource access and usage (i.e. OBS). The GMPLS framework is the key enabler to orchestrate a unified optical network control and thus reduce network operational expenses (OPEX), while increasing operator's revenues. Simultaneously, the OBS technology is one of the well positioned switching technologies to realize the envisioned IP-over-WDM network architecture, leveraging on the statistical multiplexing of data plane resources to enable sub-wavelength in optical networks. Despite of the GMPLS principle of unified control, little effort has been put on extending it to incorporate the OBS technology and many open questions still remain. From the IP network perspective, the Internet is facing scalability issues as enormous quantities of service instances and devices must be managed. Nowadays, it is believed that the current Internet features and mechanisms cannot cope with the size and dynamics of the Future Internet. Compact Routing is one of the main breakthrough paradigms on the design of a routing system scalable with the Future Internet requirements. It intends to address the fundamental limits of current stretch-1 shortest-path routing in terms of RT scalability (aiming at sub-linear growth). Although "static" compact routing works fine, scaling logarithmically on the number of nodes even in scale-free graphs such as Internet, it does not handle dynamic graphs. Moreover, as multimedia content/services proliferate, the multicast is again under the spotlight as bandwidth efficiency and low RT sizes are desired. However, it makes the problem even worse as more routing entries should be maintained. In a nutshell, the main objective of this thesis in to contribute with fully detailed solutions dealing both with i) GMPLS-OBS control interoperability (Part I), fostering unified control over multiple switching domains and reduce redundancy in IP transport. The proposed solution overcomes every interoperability technology-specific issue as well as it offers (absolute) QoS guarantees overcoming OBS performance issues by making use of the GMPLS traffic-engineering (TE) features. Keys extensions to the GMPLS protocol standards are equally approached; and ii) new compact routing scheme for multicast scenarios, in order to overcome the Future Internet inter-domain routing system scalability problem (Part II). In such a way, the first known name-independent (i.e. topology unaware) compact multicast routing algorithm is proposed. On the other hand, the AnyTraffic Labeled concept is also introduced saving on forwarding entries by sharing a single forwarding entry to unicast and multicast traffic type. Exhaustive simulation campaigns are run in both cases in order to assess the reliability and feasible of the proposals

Journal of Telecommunications and Information Technology, 2001, nr 2

kwartalni