Ethernet - a survey on its fields of application

During the last decades, Ethernet progressively became the most widely used local area networking (LAN) technology. Apart from LAN installations, Ethernet became also attractive for many other fields of application, ranging from industry to avionics, telecommunication, and multimedia. The expanded application of this technology is mainly due to its significant assets like reduced cost, backward-compatibility, flexibility, and expandability. However, this new trend raises some problems concerning the services of the protocol and the requirements for each application. Therefore, specific adaptations prove essential to integrate this communication technology in each field of application. Our primary objective is to show how Ethernet has been enhanced to comply with the specific requirements of several application fields, particularly in transport, embedded and multimedia contexts. The paper first describes the common Ethernet LAN technology and highlights its main features. It reviews the most important specific Ethernet versions with respect to each application field’s requirements. Finally, we compare these different fields of application and we particularly focus on the fundamental concepts and the quality of service capabilities of each proposal

Adaptive Telemetry for Software-Defined Mobile Networks

The forthcoming set of 5G standards will bring programmability and flexibility to levels never seen before. This has required introducing changes in the architecture of mobile networks, enabling different features such as the split of control and data planes, as required to support the rapid programming of heterogeneous data planes. Software Defined Networking (SDN) has emerged as a basic toolset for operators to manage their infrastructure, as it opens up the possibility of running a multitude of intelligent and advanced applications for network optimization purposes in a centralized network controller. However, the very basic nature that makes possible this efficient management and operation in a flexible way-the logical centralization-poses important challenges due to the lack of proper monitoring tools, suited for SDN-based architectures. In order to take timely and right decisions while operat-ing a network, centralized intelligence applications need to be fed with a continuous stream of up-to-date network statistics. However, this is not feasible with current SDN solutions due to scalability and accuracy issues. This article first analyzes the monitoring issues in current SDN solutions and then proposes a telemetry frame-work for software defined mobile networks capable of adapting to the various 5G services. Finally, it presents an experimental validation that shows the benefits of the proposed solution at alleviating the load on the control and data planes, improv-ing the reactiveness to network events, and providing better accuracy for network measurements.This work has been partially funded by the H2020 Framework Programme Europe/Taiwan joint action 5G-DIVE Project (Grant No. 859881), by the H2020 Framework Programme EU 5G-Transformer Project (Grant No. 761586), and by the H2020 Framework Programme EU 5Growth Project (Grant No. 856709)

Enhanced connectivity in wireless mobile programmable networks

Mención Interancional en el título de doctorThe architecture of current operator infrastructures is being challenged by the non-stop growing demand of data hungry services appearing every day. While currently deployed operator networks have been able to cope with traffic demands so far, the architectures for the 5th generation of mobile networks (5G) are expected to support unprecedented traffic loads while decreasing costs associated with the network deployment and operations. Indeed, the forthcoming set of 5G standards will bring programmability and flexibility to levels never seen before. This has required introducing changes in the architecture of mobile networks, enabling different features such as the split of control and data planes, as required to support rapid programming of heterogeneous data planes. Network softwarisation is hence seen as a key enabler to cope with such network evolution, as it permits controlling all networking functions through (re)programming, thus providing higher flexibility to meet heterogeneous requirements while keeping deployment and operational costs low. A great diversity in terms of traffic patterns, multi-tenancy, heterogeneous and stringent traffic requirements is therefore expected in 5G networks. Software Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualisation (NFV) have emerged as a basic tool-set for operators to manage their infrastructure with increased flexibility and reduced costs. As a result, new 5G services can now be envisioned and quickly programmed and provisioned in response to user and market necessities, imposing a paradigm shift in the services design. However, such flexibility requires the 5G transport network to undergo a profound transformation, evolving from a static connectivity substrate into a service-oriented infrastructure capable of accommodating the various 5G services, including Ultra-Reliable and Low Latency Communications (URLLC). Moreover, to achieve the desired flexibility and cost reduction, one promising approach is to leverage virtualisation technologies to dynamically host contents, services, and applications closer to the users so as to offload the core network and reduce the communication delay. This thesis tackles the above challengeswhicharedetailedinthefollowing. A common characteristic of the 5G servicesistheubiquityandthealmostpermanent connection that is required from the mobile network. This really imposes a challenge in thesignallingproceduresprovidedtogettrack of the users and to guarantee session continuity. The mobility management mechanisms will hence play a central role in the 5G networks because of the always-on connectivity demand. Distributed Mobility Management (DMM) helps going towards this direction, by flattening the network, hence improving its scalability,andenablinglocalaccesstotheInternet and other communication services, like mobile-edge clouds. Simultaneously, SDN opens up the possibility of running a multitude of intelligent and advanced applications for network optimisation purposes in a centralised network controller. The combination of DMM architectural principles with SDN management appears as a powerful tool for operators to cope with the management and data burden expected in 5G networks. To meet the future mobile user demand at a reduced cost, operators are also looking at solutions such as C-RAN and different functional splits to decrease the cost of deploying and maintaining cell sites. The increasing stress on mobile radio access performance in a context of declining revenues for operators is hence requiring the evolution of backhaul and fronthaul transport networks, which currently work decoupled. The heterogeneity of the nodes and transmisión technologies inter-connecting the fronthaul and backhaul segments makes the network quite complex, costly and inefficient to manage flexibly and dynamically. Indeed, the use of heterogeneous technologies forces operators to manage two physically separated networks, one for backhaul and one forfronthaul. In order to meet 5G requirements in a costeffective manner, a unified 5G transport network that unifies the data, control, and management planes is hence required. Such an integrated fronthaul/backhaul transport network, denoted as crosshaul, will hence carry both fronthaul and backhaul traffic operating over heterogeneous data plane technologies, which are software-controlled so as to adapt to the fluctuating capacity demand of the 5G air interfaces. Moreover, 5G transport networks will need to accommodate a wide spectrum of services on top of the same physical infrastructure. To that end, network slicing is seen as a suitable candidate for providing the necessary Quality of Service (QoS). Traffic differentiation is usually enforced at the border of the network in order to ensure a proper forwarding of the traffic according to its class through the backbone. With network slicing, the traffic may now traverse many slice edges where the traffic policy needs to be enforced, discriminated and ensured, according to the service and tenants needs. However, the very basic nature that makes this efficient management and operation possible in a flexible way – the logical centralisation – poses important challenges due to the lack of proper monitoring tools, suited for SDN-based architectures. In order to take timely and right decisions while operating a network, centralised intelligence applications need to be fed with a continuous stream of up-to-date network statistics. However, this is not feasible with current SDN solutions due to scalability and accuracy issues. Therefore, an adaptive telemetry system is required so as to support the diversity of 5G services and their stringent traffic requirements. The path towards 5G wireless networks alsopresentsacleartrendofcarryingoutcomputations close to end users. Indeed, pushing contents, applications, and network functios closer to end users is necessary to cope with thehugedatavolumeandlowlatencyrequired in future 5G networks. Edge and fog frameworks have emerged recently to address this challenge. Whilst the edge framework was more infrastructure-focused and more mobile operator-oriented, the fog was more pervasive and included any node (stationary or mobile), including terminal devices. By further utilising pervasive computational resources in proximity to users, edge and fog can be merged to construct a computing platform, which can also be used as a common stage for multiple radio access technologies (RATs) to share their information, hence opening a new dimension of multi-RAT integration.La arquitectura de las infraestructuras actuales de los operadores está siendo desafiada por la demanda creciente e incesante de servicios con un elevado consumo de datos que aparecen todos los días. Mientras que las redes de operadores implementadas actualmente han sido capaces de lidiar con las demandas de tráfico hasta ahora, se espera que las arquitecturas de la quinta generación de redes móviles (5G) soporten cargas de tráfico sin precedentes a la vez que disminuyen los costes asociados a la implementación y operaciones de la red. De hecho, el próximo conjunto de estándares 5G traerá la programabilidad y flexibilidad a niveles nunca antes vistos. Esto ha requerido la introducción de cambios en la arquitectura de las redes móviles, lo que permite diferentes funciones, como la división de los planos de control y de datos, según sea necesario para soportar una programación rápida de planos de datos heterogéneos. La softwarisación de red se considera una herramienta clave para hacer frente a dicha evolución de red, ya que proporciona la capacidad de controlar todas las funciones de red mediante (re)programación, proporcionando así una mayor flexibilidad para cumplir requisitos heterogéneos mientras se mantienen bajos los costes operativos y de implementación. Por lo tanto, se espera una gran diversidad en términos de patrones de tráfico, multi-tenancy, requisitos de tráfico heterogéneos y estrictos en las redes 5G. Software Defined Networking (SDN) y Network Function Virtualisation (NFV) se han convertido en un conjunto de herramientas básicas para que los operadores administren su infraestructura con mayor flexibilidad y menores costes. Como resultado, los nuevos servicios 5G ahora pueden planificarse, programarse y aprovisionarse rápidamente en respuesta a las necesidades de los usuarios y del mercado, imponiendo un cambio de paradigma en el diseño de los servicios. Sin embargo, dicha flexibilidad requiere que la red de transporte 5G experimente una transformación profunda, que evoluciona de un sustrato de conectividad estática a una infraestructura orientada a servicios capaz de acomodar los diversos servicios 5G, incluso Ultra-Reliable and Low Latency Communications (URLLC). Además, para lograr la flexibilidad y la reducción de costes deseadas, un enfoque prometedores aprovechar las tecnologías de virtualización para alojar dinámicamente los contenidos, servicios y aplicaciones más cerca de los usuarios para descargar la red central y reducir la latencia. Esta tesis aborda los desafíos anteriores que se detallan a continuación. Una característica común de los servicios 5G es la ubicuidad y la conexión casi permanente que se requiere para la red móvil. Esto impone un desafío en los procedimientos de señalización proporcionados para hacer un seguimiento de los usuarios y garantizar la continuidad de la sesión. Por lo tanto, los mecanismos de gestión de la movilidad desempeñarán un papel central en las redes 5G debido a la demanda de conectividad siempre activa. Distributed Mobility Management (DMM) ayuda a ir en esta dirección, al aplanar la red, lo que mejora su escalabilidad y permite el acceso local a Internet y a otros servicios de comunicaciones, como recursos en “nubes” situadas en el borde de la red móvil. Al mismo tiempo, SDN abre la posibilidad de ejecutar una multitud de aplicaciones inteligentes y avanzadas para optimizar la red en un controlador de red centralizado. La combinación de los principios arquitectónicos DMM con SDN aparece como una poderosa herramienta para que los operadores puedan hacer frente a la carga de administración y datos que se espera en las redes 5G. Para satisfacer la demanda futura de usuarios móviles a un coste reducido, los operadores también están buscando soluciones tales como C-RAN y diferentes divisiones funcionales para disminuir el coste de implementación y mantenimiento de emplazamientos celulares. El creciente estrés en el rendimiento del acceso a la radio móvil en un contexto de menores ingresos para los operadores requiere, por lo tanto, la evolución de las redes de transporte de backhaul y fronthaul, que actualmente funcionan disociadas. La heterogeneidad de los nodos y las tecnologías de transmisión que interconectan los segmentos de fronthaul y backhaul hacen que la red sea bastante compleja, costosa e ineficiente para gestionar de manera flexible y dinámica. De hecho, el uso de tecnologías heterogéneas obliga a los operadores a gestionar dos redes separadas físicamente, una para la red de backhaul y otra para el fronthaul. Para cumplir con los requisitos de 5G de manera rentable, se requiere una red de transporte única 5G que unifique los planos de control, datos y de gestión. Dicha red de transporte fronthaul/backhaul integrada, denominada “crosshaul”, transportará tráfico de fronthaul y backhaul operando sobre tecnologías heterogéneas de plano de datos, que están controladas por software para adaptarse a la demanda de capacidad fluctuante de las interfaces radio 5G. Además, las redes de transporte 5G necesitarán acomodar un amplio espectro de servicios sobre la misma infraestructura física y el network slicing se considera un candidato adecuado para proporcionar la calidad de servicio necesario. La diferenciación del tráfico generalmente se aplica en el borde de la red para garantizar un reenvío adecuado del tráfico según su clase a través de la red troncal. Con el networkslicing, el tráfico ahora puede atravesar muchos fronteras entre “network slices” donde la política de tráfico debe aplicarse, discriminarse y garantizarse, de acuerdo con las necesidades del servicio y de los usuarios. Sin embargo, el principio básico que hace posible esta gestión y operación eficientes de forma flexible – la centralización lógica – plantea importantes desafíos debido a la falta de herramientas de supervisión necesarias para las arquitecturas basadas en SDN. Para tomar decisiones oportunas y correctas mientras se opera una red, las aplicaciones de inteligencia centralizada necesitan alimentarse con un flujo continuo de estadísticas de red actualizadas. Sin embargo, esto no es factible con las soluciones SDN actuales debido a problemas de escalabilidad y falta de precisión. Por lo tanto, se requiere un sistema de telemetría adaptable para respaldar la diversidad de los servicios 5G y sus estrictos requisitos de tráfico. El camino hacia las redes inalámbricas 5G también presenta una tendencia clara de realizar acciones cerca de los usuarios finales. De hecho, acercar los contenidos, las aplicaciones y las funciones de red a los usuarios finales es necesario para hacer frente al enorme volumen de datos y la baja latencia requerida en las futuras redes 5G. Los paradigmas de “edge” y “fog” han surgido recientemente para abordar este desafío. Mientras que el edge está más centrado en la infraestructura y más orientado al operador móvil, el fog es más ubicuo e incluye cualquier nodo (fijo o móvil), incluidos los dispositivos finales. Al utilizar recursos de computación de propósito general en las proximidades de los usuarios, el edge y el fog pueden combinarse para construir una plataforma de computación, que también se puede utilizar para compartir información entre múltiples tecnologías de acceso radio (RAT) y, por lo tanto, abre una nueva dimensión de la integración multi-RAT.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería TelemáticaPresidente: Carla Fabiana Chiasserini.- Secretario: Vincenzo Mancuso.- Vocal: Diego Rafael López Garcí

Next generation control of transport networks

It is widely understood by telecom operators and industry analysts that bandwidth demand is increasing dramatically, year on year, with typical growth figures of 50% for Internet-based traffic [5]. This trend means that the consumers will have both a wide variety of devices attaching to their networks and a range of high bandwidth service requirements. The corresponding impact is the effect on the traffic engineered network (often referred to as the “transport network”) to ensure that the current rate of growth of network traffic is supported and meets predicted future demands. As traffic demands increase and newer services continuously arise, novel network elements are needed to provide more flexibility, scalability, resilience, and adaptability to today’s transport network. The transport network provides transparent traffic engineered communication of user, application, and device traffic between attached clients (software and hardware) and establishing and maintaining point-to-point or point-to-multipoint connections. The research documented in this thesis was based on three initial research questions posed while performing research at British Telecom research labs and investigating control of transport networks of future transport networks: 1. How can we meet Internet bandwidth growth yet minimise network costs? 2. Which enabling network technologies might be leveraged to control network layers and functions cooperatively, instead of separated network layer and technology control? 3. Is it possible to utilise both centralised and distributed control mechanisms for automation and traffic optimisation? This thesis aims to provide the classification, motivation, invention, and evolution of a next generation control framework for transport networks, and special consideration of delivering broadcast video traffic to UK subscribers. The document outlines pertinent telecoms technology and current art, how requirements I gathered, and research I conducted, and by which the transport control framework functional components are identified and selected, and by which method the architecture was implemented and applied to key research projects requiring next generation control capabilities, both at British Telecom and the wider research community. Finally, in the closing chapters, the thesis outlines the next steps for ongoing research and development of the transport network framework and key areas for further study

Off-line and in-operation optical core networks planning

The ever increasing IP traffic volume has finally brought to light the high inefficiency of current wavelength-routed over rigid-grid optical networks in matching the client layer requirements. Such an issue results in the deployment of large-size, expensive and power-consuming Multiprotocol Label Switching (MPLS) layers to perform the required grooming/aggregation functionality. To deal with this problem, the emerging flexgrid technology, allowing for reduced size frequency grids, is being standardized. Flexgrid optical networks divide the spectrum into frequency slots providing finer granularity than rigid networks based on Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM). To find a feasible allocation, new Routing and Spectrum Allocation (RSA) algorithms for flexgrid optical networks need to be designed and evaluated. Furthermore, due to the flexibility of flexible optical networks, the aggregation functions and statistical multiplexing can be partially located in the optical layer. In addition, given the special characteristics of flexible optical networks, the traditional mechanisms for protection and recovery must be reformulated. Optical transport platforms are designed to facilitate the setting up and tearing down of optical connections (lightpaths). Combining remotely configurable optical cross-connects (OXCs) with a control plane provides the capability of automated lightpath set-up for regular provisioning, and real-time reaction to the failures, being thus able to reduce Operational Expenditures (OPEX). However, to exploit existing capacity, increase dynamicity, and provide automation in future networks, current management architectures, utilizing legacy Network Management Systems (NMS) need to be radically transformed. This thesis is devoted to design optical networks and to devise algorithms to operate them. Network design objective consists of: i. Analyzing the cost implications that a set of frequency slot widths have on the Capital Expenditures (CAPEX) investments required to deploy MPLS-over-flexgrid networks; ii. Studying recovery schemes, where a new recovery scheme specifically designed for flexgrid-based optical networks is proposed. As for network operation, we focus on: i. Studying provisioning, where two provisioning algorithms are proposed: the first one targets at solving the RSA problem in flexgrid networks, whereas the second one studies provisioning considering optical impairments in translucent DWDM networks; ii. Getting back to the recovery problem, we focus on algorithms to cope with restoration in dynamic scenarios. Several algorithms are proposed for both single layer and multilayer networks to be deployed in the centralized Path Computation Element (PCE); iii. One of the main problems in flexgrid networks is spectrum defragmentation. In view of that, we propose an algorithm to reallocate already established optical connections so as to make room for incoming requests. This algorithm is extended with elasticity to deal with time-varying traffic. The above algorithms are firstly implemented and validated by using simulation, and finally experimentally assessed in real test-beds. In view of PCE architectures do not facilitate network reconfiguration, we propose a control and management architecture to allow the network to be dynamically operated; network resources can be made available by reconfiguring and/or re-optimizing the network on demand and in real-time. We call that as in-operation network planning. It shall be mentioned that part of the work reported in this thesis has been done within the framework of several European and National projects, namely STRONGEST (FP7-247674), IDEALIST (FP7-ICT-2011-8), and GEANT (FP7-238875) funded by the European Commission, and ENGINE (TEC2008-02634) and ELASTIC (TEC2011-27310) funded by the Spanish Science Ministry.El volumen creciente del tráfico IP, finalmente, ha puesto de manifiesto la alta ineficiencia de las redes ópticas actuales de grid rígido basadas en WDM en la adecuación a los requisitos de capa de cliente. Dicho problema genera que se deba desplegar una red con capas MPLS de gran tamaño, costosa y de alto consumo energético para poder realizar la funcionalidad de agregación requerida. Para hacer frente a este problema, la tecnología flexgrid emergente, que permite grids con frecuencias de menor tamaño, está siendo estandarizada. Las redes ópticas flexgrid dividen el espectro en slots de frecuencia, lo que proporciona una granularidad más fina en comparación a las redes rígidas basadas en WDM. Para encontrar una asignación factible, nuevos algoritmos de enrutamiento y asignación de espectro (RSA) para redes ópticas flexgrid deben ser diseñados y evaluados. Además, debido a la flexibilidad de las redes ópticas flexibles, las funciones de agregación y de multiplexación estadística pueden ser parcialmente situadas en la capa óptica. Asimismo, dadas las características especiales de las redes ópticas flexibles, los mecanismos tradicionales de protección y recuperación deben reformularse. Las plataformas de transporte ópticas están diseñadas para facilitar la creación y destrucción de conexiones ópticas. La combinación de OXCs configurables remotamente con un plano de control, proporciona la capacidad de crear conexiones automáticamente para el aprovisionamiento habitual, y la reacción en tiempo real a los fallos, para así poder reducir el OPEX. Sin embargo, para aprovechar la capacidad existente, aumentar la dinamicidad y proporcionar automatización a las redes del futuro, las arquitecturas actuales de gestión, que utilizan sistemas legados de NMS, necesitan ser transformadas de manera radical. Esta tesis está dedicada al diseño de redes ópticas y a la creación de algoritmos para operarlas. El objetivo de diseño de red se compone de: 1. El análisis de las implicancias en el costo que tiene un conjunto de slots de frecuencia en el CAPEX necesario para implementar redes MPLS-over-flexgrid; 2. El estudio de esquemas de recuperación, donde se propone un nuevo esquema de recuperación diseñado específicamente para las redes ópticas basadas en flexgrid. En cuanto a la operación de la red: 1. El estudio de aprovisionamiento, donde se proponen dos algoritmos de aprovisionamiento: el primero de ellos tiene como objetivo solucionar el problema de RSA en redes flexgrid, mientras que el segundo estudia aprovisionamiento considerando la degradación óptica en redes WDM translúcidas; 2. Volviendo al problema de la recuperación, nos centramos en algoritmos de restauración para escenarios dinámicos. Se proponen varios algoritmos, tanto para redes mono-capa como multi-capa, que serán desplegados en un PCE centralizado; 3. Uno de los principales problemas en las redes flexgrid es la desfragmentación del espectro. Para ello, se propone un algoritmo para reasignar las conexiones ópticas ya establecidas con el fin de hacer espacio a las entrantes. Este algoritmo se extiende con elasticidad para ser utilizado en escenarios con tráfico variable en el tiempo. Los algoritmos anteriores son primero implementados y validados utilizando simulación, y finalmente son evaluados experimentalmente en testbeds reales. En vista de que las arquitecturas de PCE no facilitan la reconfiguración de la red, proponemos una arquitectura de control y gestión para permitir que la red pueda ser operada de forma dinámica; hacer que los recursos de la red estén disponibles mediante reconfiguración y/o re-optimización de la red bajo demanda y en tiempo real. A eso lo llamamos planificación en operación de la red. El trabajo presentado en esta tesis se ha realizado en el marco de proyectos europeos y nacionales: STRONGEST (FP7-247674), IDEALIST (FP7-2011-8), y GEANT (FP7-238875) financiados por la CE, y ENGINE (TEC2008-02634) y ELASTIC (TEC2011-27310) financiados por el MINEC

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

WDM/TDM PON bidirectional networks single-fiber/wavelength RSOA-based ONUs layer 1/2 optimization

This Thesis proposes the design and the optimization of a hybrid WDM/TDM PON at the L1 (PHY) and L2 (MAC) layers, in terms of minimum deployment cost and enhanced performance for Greenfield NGPON. The particular case of RSOA-based ONUs and ODN using a single-fibre/single-wavelength is deeply analysed. In this WDM/TDM PON relevant parameters are optimized. Special attention has been given at the main noise impairment in this type of networks: the Rayleigh Backscattering effect, which cannot be prevented. To understand its behaviour and mitigate its effects, a novel mathematical model for the Rayleigh Backscattering in burst mode transmission is presented for the first time, and it has been used to optimize the WDM/TDM RSOA based PON. Also, a cost-effective, simple design SCM WDM/TDM PON with rSOA-based ONU, was optimized and implemented. This prototype was successfully tested showing high performance, robustness, versatility and reliability. So, the system is able to give coverage up to 1280 users at 2.5 Gb/s / 1.25 Gb/s downstream/upstream, over 20 Km, and being compatible with the GPON ITU-T recommendation. This precedent has enabled the SARDANA network to extend the design, architecture and capabilities of a WDM/TDM PON for a long reach metro-access network (100 km). A proposal for an agile Transmission Convergence sub-layer is presented as another relevant contribution of this work. It is based on the optimization of the standards GPON and XG-PON (for compatibility), but applied to a long reach metro-access TDM/WDM PON rSOA-based network with higher client count. Finally, a proposal of physical implementation for the SARDANA layer 2 and possible configurations for SARDANA internetworking, with the metro network and core transport network, are presented

Self-organized backpressure routing for the wireless mesh backhaul of small cells

The ever increasing demand for wireless data services has given a starring role to dense small cell (SC) deployments for mobile networks, as increasing frequency re-use by reducing cell size has historically been the most effective and simple way to increase capacity. Such densification entails challenges at the Transport Network Layer (TNL), which carries packets throughout the network, since hard-wired deployments of small cells prove to be cost-unfeasible and inflexible in some scenarios. The goal of this thesis is, precisely, to provide cost-effective and dynamic solutions for the TNL that drastically improve the performance of dense and semi-planned SC deployments. One approach to decrease costs and augment the dynamicity at the TNL is the creation of a wireless mesh backhaul amongst SCs to carry control and data plane traffic towards/from the core network. Unfortunately, these lowcost SC deployments preclude the use of current TNL routing approaches such as Multiprotocol Label Switching Traffic Profile (MPLS-TP), which was originally designed for hard-wired SC deployments. In particular, one of the main problems is that these schemes are unable to provide an even network resource consumption, which in wireless environments can lead to a substantial degradation of key network performance metrics for Mobile Network Operators. The equivalent of distributing load across resources in SC deployments is making better use of available paths, and so exploiting the capacity offered by the wireless mesh backhaul formed amongst SCs. To tackle such uneven consumption of network resources, this thesis presents the design, implementation, and extensive evaluation of a self-organized backpressure routing protocol explicitly designed for the wireless mesh backhaul formed amongst the wireless links of SCs. Whilst backpressure routing in theory promises throughput optimality, its implementation complexity introduces several concerns, such as scalability, large end-to-end latencies, and centralization of all the network state. To address these issues, we present a throughput suboptimal yet scalable, decentralized, low-overhead, and low-complexity backpressure routing scheme. More specifically, the contributions in this thesis can be summarized as follows: We formulate the routing problem for the wireless mesh backhaul from a stochastic network optimization perspective, and solve the network optimization problem using the Lyapunov-driftplus-penalty method. The Lyapunov drift refers to the difference of queue backlogs in the network between different time instants, whereas the penalty refers to the routing cost incurred by some network utility parameter to optimize. In our case, this parameter is based on minimizing the length of the path taken by packets to reach their intended destination. Rather than building routing tables, we leverage geolocation information as a key component to complement the minimization of the Lyapunov drift in a decentralized way. In fact, we observed that the combination of both components helps to mitigate backpressure limitations (e.g., scalability,centralization, and large end-to-end latencies). The drift-plus-penalty method uses a tunable optimization parameter that weight the relative importance of queue drift and routing cost. We find evidence that, in fact, this optimization parameter impacts the overall network performance. In light of this observation, we propose a self-organized controller based on locally available information and in the current packet being routed to tune such an optimization parameter under dynamic traffic demands. Thus, the goal of this heuristically built controller is to maintain the best trade-off between the Lyapunov drift and the penalty function to take into account the dynamic nature of semi-planned SC deployments. We propose low complexity heuristics to address problems that appear under different wireless mesh backhaul scenarios and conditions..