Algorithmic model for high availability in transporting increasing volumes of variable traffic in optical networks

Internet ha presentado un crecimiento exponencial en la última década, generando que los usuarios demanden solución a los requisitos de forma instantánea. Estas exigencias constituyen la problemática principal que se encuentra relacionada con el desempeño y la caracterización de la infraestructura de red de acceso y agregación. Entre tecnologías prometedoras se encuentran las redes ópticas, sus características en capacidad, calidad de servicio y desempeño, permiten soportar tráfico generado por aplicaciones y tecnologías futuras como vídeo en alta definición, comunicaciones móviles de quinta generación (5G) y transmisiones en ultra definición. La implementación de redes totalmente ópticas implica: madurez de dispositivos, buffers de almacenamiento óptico, conmutación de paquetes ópticos, desarrollo de métodos efectivos de administración de red y disminución de costos elevados. Estas situaciones han retrasado el desarrollo de las redes totalmente ópticas, impulsando investigaciones en redes ópticas elásticas (EON), que permiten ajustar dinámicamente sus recursos de acuerdo con los requisitos de cada demanda. Esta investigación aborda los beneficios en el uso de las redes ópticas elásticas como soporte en el transporte de los crecientes volúmenes de tráfico variable, apoyado en técnicas de aprendizaje automático para afrontar problemas de: enrutamiento, asignación de espectro, formato de modulación y selección de núcleo. Aprovechando una perspectiva de infraestructura tecnológica que asegure los procesos de conmutación y enrutamiento completamente ópticos, para optimizar los recursos en función de las demandas.The Internet has shown exponential growth in the last decade, generating that users demand solutions to the requirements instantly. These requirements constitute the main problem related to the performance and characterization of the access and aggregation network infrastructure. Among the promising technologies are optical networks, their characteristics in capacity, quality of service and performance allow to support the traffic generated by future applications and technologies such as high-definition video, 5G networks and ultra-definition transmissions. Today, the implementation of all-optical networks presents several challenges such as: device maturity, optical storage buffers, optical packet switching, lack of effective network administration and management methods, and high costs. These limitations have delayed the development of fully optical networks, promoting research into elastic optical networks (EON), which dynamically adjust their resources according to the requirements of each demand. This research addresses the benefits in the use of elastic optical networks as support in the transport of the increasing volume of traffic, supported with machine learning techniques to face the problems of routing, spectrum allocation, modulation format and core selection. Providing a technological vision for the exploitation of the infrastructure that ensures completely optical switching and routing processes, optimizing resources based on demands

Estudio y evaluación del desempeño de TCP sobre redes de conmutación óptica de ráfagas (OBS, Optical burst switching) mediante un prototipo basado en simulación

El entorno dinámico en el cual el tráfico de datos es el principal protagonista, ha conducido a un crecimiento sustancial en la demanda de ancho de banda en los últimos años, y el paso del dominio de la voz al dominio de los datos hace que el costo de red de las tecnologías actuales, no soporten el crecimiento esperado de forma rentable, por lo tanto, es evidente una evolución de las redes de datos que permita satisfacer, al costo beneficio deseado, las necesidades actuales y futuras de los usuarios que cada día requieren mayores capacidades y esperan un menor precio. Es así que, el reto principal que deben afrontar los operadores de telecomunicaciones se centra en un aumento acelerado de las capacidades a transportar sobre sus redes y un crecimiento moderado de sus ingresos; tal escenario implica obviamente, cambios tecnológicos para proveer una plataforma de red multi-servicios que permita la adaptación de distintos formatos de datos, el soporte de altas tasas de transmisión, y una provisión flexible de anchos de banda, que se consideran factores clave para el Internet de próxima generación. Ante esta realidad, la tecnología óptica ha permitido a través del desarrollo de DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) incrementar significativamente el ancho de banda de las trasmisiones por fibra óptica alcanzando velocidades de hasta decenas de Terabits/seg en el nivel de transporte; sin embargo la conmutación de paquetes utilizada en Internet por los equipos de internetworking, efectúan su procesamiento de forma electrónica (donde es necesaria la conversión opto-eléctrica y electro-óptica), lo cual constituye un cuello de botella con relación a las altas velocidades de transmisión alcanzadas en el nivel óptico, en especial con DWDM que sigue en desarrollo con tendencia a alcanzar cada vez mayores velocidades al multiplexar más canales por hilo de fibra óptica; esta tecnología se puede considerar como la base para el transporte de información que se encuentra en su etapa de evolución hacia las denominadas redes todo ópticas, dando lugar a la aparición de técnicas de conmutación óptica como: conmutación óptica de circuitos (OCS, Optical Circuit Switching), conmutación óptica de paquetes (OPS, Optical Packet Switching) y conmutación óptica de ráfagas (OBS, Optical Burst Switching). La tecnología OBS se considera una técnica de conmutación óptica de tercera generación dentro de la escala evolutiva del networking óptico, visualizada como un paradigma prometedor para el Internet Óptico de nueva generación, que podría ser adoptado para el transporte de información en el nivel de core, con el fin de minimizar el procesamiento electrónico para superar el cuello de botella de los enrutadores actuales, y a su vez enrutar y conmutar a nivel completamente óptico grandes volúmenes de información ensamblados en ráfagas. Esta tecnología se encuentra actualmente en estado de desarrollo e investigación y al respecto se han efectuado una serie de estudios que han conducido a la definición de modelos matemáticos, esquemas de señalización, algoritmos de planificación y técnicas de resolución de contenciones validados mediante simulaciones por computador, con el fin de evaluar el desempeño de este tipo de redes y su adaptabilidad al tráfico con naturaleza a ráfagas de Internet, encontrándose resultados interesantes así como también ciertas restricciones especialmente en cuanto al tema de contenciones, debido a la limitación del buffering óptico propio de la inmadurez de la tecnología fotónica actual. Por otro lado, varios estudios han mostrado que aproximadamente el 90% de las aplicaciones en Internet utilizan TCP, por lo cual se lo puede considerar como, el mayor referente del volumen de tráfico que cursa a través del Internet y que se prevé continuará siendo el protocolo de transporte dominante. Por lo tanto, se considera importante evaluar su desempeño en redes que puedan emplear a futuro la tecnología de conmutación óptica de ráfagas, donde a simple vista es necesario evaluar el impacto de la agregación de paquetes en ráfagas y el efecto de la limitación de almacenamiento temporal (buffering) óptico en los nodos de core, sobre el desempeño de TCP, ya que actualmente no existe un equivalente óptico a la memoria RAM electrónica, indispensable para la conmutación de paquetes utilizada en las redes de datos existentes. En este contexto, se evalúa el desempeño del protocolo TCP sobre un modelo de red OBS mediante el simulador de redes ns-2 (network simulator 2), utilizando las variantes más comunes basadas en pérdidas de este protocolo, tales como TCP Reno, Newreno y SACK; y se contrastan los resultados con los modelos analíticos basados en los procesos regenerativos y teoría de renovación de Markov, propuestos en la litertura. La realización de este proyecto de tesis se justifica técnicamente porque pretende efectuar un estudio moderado de la tecnología OBS para redes ópticas de nueva generación que se encuentran en desarrollo e investigación, complementado el fundamento teórico con un componente práctico que consiste en la implementación de un prototipo basado en simulación, que permitirá ampliar la comprensión de esta tecnología y modelar un determinado sistema a fin de obtener una aproximación lo más cercana a la realidad