Architectures and protocols for sub-wavelength optical networks: contributions to connectionless and connection-oriented data transport

La ràpida evolució d’Internet i l’àmplia gamma de noves aplicacions (per exemple, multimèdia, videoconferència, jocs en línia, etc.) ha fomentat canvis revolucionaris en la manera com ens comuniquem. A més, algunes d’aquestes aplicacions demanden grans quantitats de recursos d’ample de banda amb diversos requeriments de qualitat de servei (QoS). El desenvolupament de la multiplexació per divisió de longitud d’ona (WDM) en els anys noranta va fer molt rendible la disponibilitat d’ample de banda. Avui dia, les tecnologies de commutació òptica de circuits són predominants en el nucli de la xarxa, les quals permeten la configuració de canals (lightpaths) a través de la xarxa. No obstant això, la granularitat d’aquests canals ocupa tota la longitud d’ona, el que fa que siguin ineficients per a proveir canals de menor ample de banda (sub-longitud d’ona). Segons la comunitat científica, és necessari augmentar la transparència dels protocols, així com millorar l’aprovisionament d’ample de banda de forma dinàmica. Per tal de fer això realitat, és necessari desenvolupar noves arquitectures. La commutació òptica de ràfegues i de paquets (OBS/OPS), són dues de les tecnologies proposades. Aquesta tesi contribueix amb tres arquitectures de xarxa destinades a millorar el transport de dades sub-longitud d’ona. En primer lloc, aprofundim en la naturalesa sense connexió en OBS. En aquest cas, la xarxa incrementa el seu dinamisme a causa de les transmissions a ràfega. A més, les col·lisions entre ràfegues degraden el rendiment de la xarxa fins i tot a càrregues molt baixes. Per fer front a aquestes col·lisions, es proposa un esquema de resolució de col·lisions pro actiu basat en un algorisme d’encaminament i assignació de longitud d’ona (RWA) que balanceja de forma automàtica i distribuïda la càrrega en la xarxa. En aquest protocol, el RWA i la transmissió de ràfegues es basen en l’explotació i exploració de regles de commutació que incorporen informació sobre contencions i encaminament. Per donar suport a aquesta arquitectura, s’utilitzen dos tipus de paquets de control per a l’encaminament de les ràfegues i l’actualització de les regles de commutació, respectivament. Per analitzar els beneficis del nou algorisme, s’utilitzen quatre topologies de xarxa diferents. Els resultats indiquen que el mètode proposat millora en diferents marges la resta d’algorismes RWA en funció de la topologia i sense penalitzar altres paràmetres com el retard extrem a extrem. La segona contribució proposa una arquitectura híbrida sense i orientada a connexió sobre la base d’un protocol de control d’accés al medi (MAC) per a xarxes OBS (DAOBS). El MAC ofereix dos mètodes d’accés: arbitratge de cua (QA) per a la transmissió de ràfegues sense connexió, i pre-arbitratge (PA) per serveis TDM orientats a connexió. Aquesta arquitectura permet una àmplia gamma d’aplicacions sensibles al retard i al bloqueig. Els resultats avaluats a través de simulacions mostren que en l’accés QA, les ràfegues de més alta prioritat tenen garantides zero pèrdues i latències d’accés molt baixes. Pel que fa a l’accés PA, es reporta que la duplicació de la càrrega TDM augmenta en més d’un ordre la probabilitat de bloqueig, però sense afectar en la mateixa mesura les ràfegues sense connexió. En aquest capítol també es tracten dos dels problemes relacionats amb l’arquitectura DAOBS i el seu funcionament. En primer lloc, es proposa un model matemàtic per aproximar el retard d’accés inferior i superior com a conseqüència de l’accés QA. En segon lloc, es formula matemàticament la generació i optimització de les topologies virtuals que suporten el protocol per a l’escenari amb tràfic estàtic. Finalment, l’última contribució explora els beneficis d’una arquitectura de xarxa òptica per temps compartit (TSON) basada en elements de càlcul de camins (PCE) centralitzats per tal d’evitar col·lisions en la xarxa. Aquesta arquitectura permet garantir l’aprovisionament orientat a connexió de canals sub-longitud d’ona. En aquest capítol proposem i simulem tres arquitectures GMPLS/PCE/TSON. A causa del enfocament centralitzat, el rendiment de la xarxa depèn en gran mesura de l’assignació i aprovisionament de les connexions. Amb aquesta finalitat, es proposen diferents algorismes d’assignació de ranures temporals i es comparen amb les corresponents formulacions de programació lineal (ILP) per al cas estàtic. Per al cas de tràfic dinàmic, proposem i avaluem mitjançant simulació diferents heurístiques. Els resultats mostren els beneficis de proporcionar flexibilitat en els dominis temporal i freqüencial a l’hora d’assignar les ranures temporals.The rapid evolving Internet and the broad range of new data applications (e.g., multimedia, video-conference, online gaming, etc.) is fostering revolutionary changes in the way we communicate. In addition, some of these applications demand for unprecedented amounts of bandwidth resources with diverse quality of service (QoS). The development of wavelength division multiplexing (WDM) in the 90's made very cost-effective the availability of bandwidth. Nowadays, optical circuit switching technologies are predominant in the core enabling the set up of lightpaths across the network. However, full-wavelength lightpath granularity is too coarse, which results to be inefficient for provisioning sub-wavelength channels. As remarked by the research community, an open issue in optical networking is increasing the protocol transparency as well as provisioning true dynamic bandwidth allocation at the network level. To this end, new architectures are required. Optical burst/packet switching (OBS/OPS) are two such proposed technologies under investigation. This thesis contributes with three network architectures which aim at improving the sub-wavelength data transport from different perspectives. First, we gain insight into the connectionless nature of OBS. Here, the network dynamics are increased due to the short-lived burst transmissions. Moreover, burst contentions degrade the performance even at very low loads. To cope with them, we propose a proactive resolution scheme by means of a distributed auto load-balancing routing and wavelength assignment (RWA) algorithm for wavelength-continuity constraint networks. In this protocol, the RWA and burst forwarding is based on the exploitation and exploration of switching rule concentration values that incorporate contention and forwarding desirability information. To support such architecture, forward and backward control packets are used in the burst forwarding and updating rules, respectively. In order to analyze the benefits of the new algorithm, four different network topologies are used. Results indicate that the proposed method outperforms the rest of tested RWA algorithms at various margins depending on the topology without penalizing other parameters such as end-to-end delay. The second contribution proposes a hybrid connectionless and connection-oriented architecture based on a medium access control (MAC) protocol for OBS networks (DAOBS). The MAC provides two main access mechanisms: queue arbitrated (QA) for connectionless bursts and pre-arbitrated (PA) for TDM connection-oriented services. Such an architecture allows for a broad range of delay-sensitive applications or guaranteed services. Results evaluated through simulations show that in the QA access mode highest priority bursts are guaranteed zero losses and very low access latencies. Regarding the PA mode, we report that doubling the offered TDM traffic load increases in more than one order their connection blocking, slightly affecting the blocking of other connectionless bursts. In this chapter, we also tackle two of the issues related with the DAOBS architecture and its operation. Firstly, we model mathematically the lower and upper approximations of the access delay as a consequence of the connectionless queue arbitrated access. Secondly, we formulate the generation of the virtual light-tree overlay topology for the static traffic case.Postprint (published version

On the highly stable performance of loss-free optical burst switching networks

Increase of bandwidth demand in data networks, driven by the continuous growth of the Internet and the increase of bandwidth greedy applications, raise the issue of how to support all the bandwidth requirements in the near future. Three optical switching paradigms have been defined and are being investigated: Optical Circuit Switching (OCS); Optical Packet Switching (OPS); and Optical Burst Switching (OBS). Among these paradigms, OBS is seen as the most appropriate solution today. However, OBS suffers from high burst loss as a result of contention in the bufferless mode of operation. This issue was investigated by Coutelen et al., 2009 who proposed the loss-free CAROBS framework whereby signal convertors of the optical signal to the electrical domain ensure electrical buffering. Convertors increase the network price which must be minimized to reduce the installation and operating costs of the CAROBS framework. An analysis capturing convertor requirements, with respect to the number of merging flows and CAROBS node offered load, was carried out. We demonstrated the convertor location significance, which led to an additional investigation of the shared wavelength convertors scenario. Shared wavelength convertors significantly decrease the number of required convertors and show great promise for CAROBS. Based on this study we can design a CAROBS network to contain a combination of simple and complex nodes that include none or some convertors respectively, a vital feature of network throughput efficiency and cost

Artificial intelligence (AI) methods in optical networks: A comprehensive survey

Producción CientíficaArtificial intelligence (AI) is an extensive scientific discipline which enables computer systems to solve problems by emulating complex biological processes such as learning, reasoning and self-correction. This paper presents a comprehensive review of the application of AI techniques for improving performance of optical communication systems and networks. The use of AI-based techniques is first studied in applications related to optical transmission, ranging from the characterization and operation of network components to performance monitoring, mitigation of nonlinearities, and quality of transmission estimation. Then, applications related to optical network control and management are also reviewed, including topics like optical network planning and operation in both transport and access networks. Finally, the paper also presents a summary of opportunities and challenges in optical networking where AI is expected to play a key role in the near future.Ministerio de Economía, Industria y Competitividad (Project EC2014-53071-C3-2-P, TEC2015-71932-REDT

Provisioning lightpath demands with quality of protection grades in WDM optical networks

Master'sMASTER OF ENGINEERIN

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

Dynamic routing and spectrum allocation in elastic optical networks

Triggered by emerging services such as high-definition video distribution or social networking, the IP traffic volume has been exponentially increasing to date. Furthermore, the traffic growth rate will not stop here due to the day by day technology advances. For example, new hardware advances such as multicore processing, virtualization and network storage will support new generation e-Science and grid applications, requesting data flows of 10 Gb/s up to terabit level. In response to these large capacity and diverse traffic granularity needs of the future Internet, the Elastic Optical Network (EON) architecture has been proposed. By breaking the fixed-grid spectrum allocation limit of conventional Wavelength Division Multiplexing (WDM) networks, EONs increase the flexibility in the connection provisioning. To do so, depending on the traffic volume, an appropriate-sized optical spectrum is allocated to a connection in EONs. Furthermore, unlike the rigid optical channels of conventional WDM networks, a lightpath can expand or contract elastically to meet different bandwidth demands in EONs. In this way, incoming connection requests can be served in a spectrum-efficient manner. This technological advance poses additional challenges on the networking level, specifically on the efficient connection establishment. The Routing and Spectrum Allocation (RSA) problem in elastic optical networks has grabbed a lot of attention lately, putting more emphasis on dynamic network scenarios. There, connection arrival and departure processes are random and the network has to accommodate incoming traffic in real time. Despite all efforts at studying the dynamic RSA problem from different perspectives, there are still some issues which need to be addressed. This thesis is devoted to the study of three still open issues in the EONs literature, 1) dynamic source aggregation of sub-wavelength connections, 2) correlation between traffic granularity and defragmentation periodicity and 3) using spectrum fragmentation to better allocate time-varying connections. The first issue deals with the possibility of aggregation of same source but different destination sub-wavelength connections in EONs, aiming to obtain both transmitter and spectrum usage savings. A novel algorithm for dynamic source aggregation of connections is proposed. Moreover, a novel node architecture enabling the realization of the proposed source aggregation scheme in a cost-effective way is introduced. A considerable improvement in the network spectrum utilization, as well as a significant reduction in the number of necessary transmitters per node is shown. The spectral fragmentation problem in elastic optical networks is addressed with the second issue. A correlation between the optimal (i.e., minimum) spectrum defragmentation periodicity in the network with the granularity of the supported traffic is investigated. A novel algorithm for efficient spectrum defragmentation is proposed, aiming to consolidate the available fiber spectrum as much as possible, while limiting the number of re-allocated active connections. It is shown that the spectral defragmentation periodicity can be effectively configured by having knowledge of the offered traffic granularity. The last issue is about lightpath adaptation under time variable traffic demands in EONs. Specifically, the possibility of utilizing the spectral fragmentation to increase the spectrum allocation capabilities of EONs is explored. In this context, a heuristic Spectrum Allocation (SA) algorithm, which intentionally increases the spectral fragmentation in the network is proposed and validated. In the proposal, the spectrum assigned to each new connection is in the middle of the largest free spectral void over the route, aiming to provide considerable spectral space between adjacent connections. These free spectral spaces are then used to allocate time-varying connections without requiring any lightpath re-allocation.Degut a l'augment de serveis emergent com la distribució de vídeo d'alta definició les xarxes socials, el volum de tràfic IP ha crescut de manera exponencial durant els darrers temps. S'espera que aquest creixement no s'aturi sinó que continui de manera imparable degut als constants avenços tecnològics. Alguns exemples d’això poden ser els processadors multi-nucli, la virtualització o el "cloud computing" que donaran suport a una nova generació de e-Science i d'aplicacions Grid per les quals caldran flux de dades des de 10 Gb/s fins al Terabit per segon. La conseqüència esperable és que els operadors de xarxes de telecomunicacions requeriran una nova generació de transport òptic en el futur proper, per donar servei a aquests grans i heterogenis volums de trafic d'una manera econòmicament eficient i escalable. Com a resposta a les creixents necessitats de capacitat i de diferents granularitats de tràfic de la Internet del Futur s'ha proposat l'arquitectura coneguda com "Elastic Optical Network" (EON). Trencant el rígid entramat de les xarxes WDM tradicionals, on s'ha de reservar tot un canal òptic per a cada comunicació, mitjançant les EON s'aconsegueix incrementar la flexibilitat en l'aprovisionament de connexions. per fer-ho, depenent del volum de tràfic s'assigna la quantitat adient de l'espectre òptic a cada connexió. I, anant encara un pas més enllà, per desfer la rigidesa dels canals convencionals de les xarxes amb multiplexació per divisió en longitud d'ona (WDM), les connexions òptiques en les EON poden expandir-se o contraure's de manera elàstica segons els requeriments d'ample de banda en cada moment. D'aquesta manera, les peticions de connexió que arriben poden ésser servides de manera eficient pel que fa a l'espectre que utilitzen. Aquest avenç tecnològic implica però alguns reptes a nivell de xarxa, especialment pel que fa a l'establiment eficient de les connexions. De manera similar a com succeeix en les xarxes WDM, una connexió ha d'ocupar la mateixa part de l'espectre en tots els links que la conformen, acomplint el principi de "continuïtat en l'espectre". A més a més, tot l'ample de banda de la connexió ha d'estar assignat de manera adjacent, acomplint el principi de "contigüitat en l'espectre". Per aconseguir aquests objectius, el problema de l'encaminament i assignació de l'espectre (RSA) ha merescut una gran atenció dels investigadors en els darrers anys, amb especial èmfasi a escenaris dinàmics, és a dir, en la fase d’operació de la xarxa. En aquest cas, els processos d'arribada i mort de les connexions són aleatoris i la xarxa ha d'acomodar en temps real el tràfic ofert. Tot i els grans esforços dedicats a aquest tema, queden encara alguns punts a resoldre. Aquesta Tesi està dedicada a alguns d'aquests temes oberts en l'àmbit de les xarxes EON: 1) l’agregació dinàmica de connexions de granularitat inferior a la longitud d'ona, 2) la correlació entre la granularitat del tràfic i les polítiques de desfragmentació de l'espectre, i, 3) utilitzar la fragmentació espectral per a una millor assignació de connexions d'ample de banda canviant en el temps. El primer tòpic analitza la possibilitat d'agregar connexions originades a la mateixa font però amb diferents destinacions dins d'una EON, amb l'objectiu d'estalviar recursos tant pel que fa a nombre d'equips transmissor utilitzats com a l'espectre utilitzat. S'ha proposat un nou algorisme que millora ambdós paràmetres, així com una arquitectura pels nodes de la xarxa que permet utilitzar l'algorisme d’agregació proposat de manera eficient des del punt de vista del cost. S'aconsegueix una considerable millora pel que fa a la utilització de l'espectre a més d'una significativa reducció en el nombre de transmissors per node que es requereixen. El problema de la fragmentació espectral en les EONs s'ataca en la segona aportació d'aquesta Tesi. S'ha aconseguit demostrar la correlació entre l’òptima (és a dir mínima) periodicitat de les accions de desfragmentació i la granularitat del tràfic suportat. S'ha proposat un nou algorisme per a una desfragmentació eficient, l'objectiu del qual és consolidar l'espectre disponible en les fibres tan com sigui possible, al mateix temps que es redueix el nombre de connexions que has de ser reubicades en la xarxa. Es demostra que, en una EON, es pot configurar de manera òptima la periodicitat de les desfragmentacions si es coneix la granularitat de les connexions a transportar. Finalment, en el tercer gran apartat de la Tesi, s'estudia la possibilitat d'utilitzar la fragmentació espectral en les EON per a una millor assignació dels recursos quan el tràfic és variant en el temps. En aquest context, s'ha proposat i validat un algorisme d’assignació de l'espectre (SA) que incrementa de manera intencionada la fragmentació espectral de la xarxa. En aquesta proposta, l'espectre assignat a cada nova connexi_o s'ubica al bell mig del buit espectral més gran que es troba en tota la ruta, amb l'objectiu de deixar tan espai com sigui possible entre les diferents connexions. Aquest espai és després utilitzat per a connexions que requereixen, al llarg de la seva existència, més espectre del que se'ls ha assignat inicialment (incrementen el seu ample de banda). Els resultats obtinguts mitjançant simulacions mostren significants millores en termes de Probabilitat de Bloqueig (BP) en la xarxa quan s'utilitza l'algorisme proposat. Després d'una introducció a la Tesi, el Capítol 2 ofereix una revisió de l’evolució de les xarxes òptiques de transport, tot introduint el concepte de xarxa òptica elàstica (EON). El Capítol 3 se centra en l'estudi dels mètodes d'encaminament i assignació de longitud d'ona en xarxes WDM convencionals, i la seva evolució cap al problema de l’assignació d'espectre (RSA) en EONs. El Capítol 4 detalla els estudis i les contribucions fetes en el tema d’agregació de connexions de granularitat inferior a la longitud d'ona en EONs. L'algorisme proposat, així com l'arquitectura de node que permet aplicar-lo es presenten en aquest Capítol. El problema de la fragmentació espectral en EONs i llurs solucions es revisen a fons en el Capítol 5. La correlació entre la periodicitat de les desfragmentacions espectrals i la granularitat del tràfic ofert s'estudien aquí. El Capítol 6 detalla el problema de servir connexions variants en el temps en EONs. Algunes polítiques proposades fins ara es revisen, i tot seguit se'n proposa una que, en certs aspectes, millora les prèvies. Finalment, cal destacar que aquest treball ha rebut el suport del Govern de la Generalitat de Catalunya, a través d'una beca FI-AGAUR, i que s'ha realitzat en el marc del projecte del Ministerio de Educación Ciencia y Deporte espanyol ELASTIC (TEC2011-27310).Debido al aumento de servicios emergentes como la distribución de video de alta definición o las redes sociales, el volumen de tráfico IP ha crecido de manera exponencial durante los últimos tiempos. Se espera que este crecimiento no se pare sino que continúe de manera imparable debido a los constantes adelantos tecnológicos. Algunos ejemplos de esto pueden ser los procesadores multi-núcleo, la virtualización o el "cloud computing" que darán servicio a una nueva generación de aplicaciones de e-Science y de Grid para las cuáles serán necesarios flujos de datos desde 10 Gb/s hasta Terabits por segundo. La consecuencia esperable es que los operadores de redes de telecomunicaciones requerirán una nueva generación de transporte óptico en el futuro cercano, para dar servicio a estos grandes y heterogéneos volúmenes de tráfico de una manera económicamente eficiente y escalable. Como respuesta a las crecientes necesidades de capacidad y de diferentes granularidades de tráfico de la Internet del Futuro, se ha propuesto la arquitectura conocida como "Elastic Optical Network" (EON). Rompiendo el rígido entramado de las redes con multiplexación por división en longitud de onda (WDM) tradicionales, donde se tiene que reservar todo un canal óptico para cada comunicación, mediante las EON se consigue incrementar la flexibilidad en el aprovisionamiento de conexiones. Para hacerlo, dependiendo del volumen de tráfico se asigna la cantidad adecuada del espectro óptico a cada conexión. Y, yendo todavía un paso más allá, para deshacer la rigidez de los canales convencionales de las redes WDM, las conexiones ópticas en las EON pueden expandirse o contraerse de manera elástica según los requerimientos de ancho de banda en cada momento. De este modo, las peticiones de conexión que llegan pueden ser servidas de manera eficiente en cuanto al espectro que utilizan. Este adelanto tecnológico implica sin embargo algunos retos a nivel de red, especialmente en lo que se refiere al establecimiento eficiente de las conexiones. De manera similar a como sucede en las redes WDM, una conexión debe ocupar la misma parte del espectro en todos los links que la conforman, cumpliendo el principio de "continuidad espectral". Además, todo el ancho de banda de la conexión tiene que estar asignado de manera adyacente, cumpliendo el principio de "contigüidad espectral". Para conseguir estos objetivos, el problema del encaminamiento y asignación del espectro (RSA) ha merecido una gran atención de los investigadores en los últimos años, con especial énfasis en escenarios dinámicos, es decir, en la fase de operación de la red. En este caso, los procesos de llegada y finalización de las conexiones son aleatorios y la red tiene que acomodar en tiempo real el tráfico ofrecido. A pesar de los grandes esfuerzos dedicados a este tema, quedan todavía algunos puntos a resolver. Esta Tesis está dedicada a algunos de estos temas abiertos en el ámbito de las redes EON: 1) la agregación dinámica de conexiones de granularidad inferior a la longitud de onda, 2) la correlación entre la granularidad del tráfico y las políticas de desfragmentación del espectro, y, 3) utilizar la fragmentación espectral para una mejor asignación de conexiones de ancho de banda variante en el tiempo. El primer tópico analiza la posibilidad de agregar conexiones originadas en la misma fuente pero con diferentes destinos dentro de una EON, con el objetivo de ahorrar recursos tanto en cuanto a número de equipos transmisores utilizados como en el espectro utilizado. Se ha propuesto un nuevo algoritmo que mejora ambos parámetros, así como una arquitectura para los nodos de la red que permite utilizar el algoritmo de agregación propuesto de manera eficiente desde el punto de vista del coste. Se consigue una considerable mejora en cuanto a la utilización del espectro además de una significativa reducción en el número de trasmisores por nodo que se requieren. El problema de la fragmentación espectral en las EONs se ataca en la segunda aportación de esta Tesis. Se ha conseguido demostrar la correlación entre la óptima (es decir, mínima) periodicidad de las acciones de desfragmentación y la granularidad del tráfico soportado. Se ha propuesto un nuevo algoritmo para una desfragmentación eficiente, el objetivo del cual es consolidar el espectro disponible en las fibras tanto como sea posible, al mismo tiempo que se reduce el número de conexiones que deben ser reubicadas en la red. Se demuestra que, en una EON, se puede configurar de manera óptima la periodicidad de las desfragmentaciones si se conoce la granularidad de las conexiones a transportar. Finalmente, en el tercer gran apartado de la Tesis, se estudia la posibilidad de utilizar la fragmentación espectral en las EON para una mejor asignación de los recursos cuando el tráfico es variante en el tiempo. En este contexto, se ha propuesto y validado un algoritmo de asignación del espectro (SA) que incrementa de manera intencionada la fragmentación espectral de la red. En esta propuesta, el espectro asignado a cada nueva conexión se ubica en medio del vacío espectral más grande que se encuentra en toda la ruta, con el objetivo de dejar tanto espacio como sea posible entre las diferentes conexiones. Este espacio es después utilizado para conexiones que requieren, a lo largo de su existencia, más espectro del que se les ha asignado inicialmente (incrementan su ancho de banda). Los resultados obtenidos mediante simulaciones muestran significantes mejoras en términos de Probabilidad de Bloqueo (BP) de la red cuando se utiliza el algoritmo propuesto. Después de una introducción a la Tesis, el Capitulo 2 ofrece una revisión de la evolución delas redes ópticas de transporte, introduciendo el concepto de red óptica elástica (EON). El Capítulo 3 se centra en el estudio de los métodos de encaminamiento y asignación de longitud de onda en redes WDM convencionales, y su evolución hacia el problema de la asignación de espectro (RSA) en EONs. El Capítulo 4 detalla los estudios y las contribuciones hechas en el tema de agregación de conexiones de granularidad inferior a la longitud de onda en EONs. El algoritmo propuesto, así como la arquitectura de nodo que permite aplicarlo, se presentan en este Capitulo. El problema de la fragmentación espectral en las EONs y sus soluciones se revisan a fondo en el Capitulo 5. La correlación entre la periodicidad de las desfragmentaciones espectrales y la granularidad del tráfico ofrecido se estudian aquí. El Capitulo 6 detalla el problema de servir conexiones variantes en el tiempo en EONs. Algunas políticas propuestas hasta ahora se han revisado, y a continuación se propone una que, en algunos aspectos, mejora las previamente publicadas. Finalmente, hay que destacar que este trabajo ha recibido el apoyo del Gobierno de la Generalitat de Catalunya, a través de una beca FI-AGAUR, y que se ha realizado en el marco del proyecto ELASTIC (*TEC2011-27310), del Ministerio de Educación Ciencia y Deporte Español

Bandwith allocation and scheduling in photonic networks

This thesis describes a framework for bandwidth allocation and scheduling in the Agile All-Photonic Network (AAPN). This framework is also applicable to any single-hop communication network with significant signalling delay (such as satellite-TDMA systems). Slot-by-slot scheduling approaches do not provide adequate performance for wide-area networks, so we focus on frame-based scheduling. We propose three novel fixed-length frame scheduling algorithms (Minimum Cost Search, Fair Matching and Minimum Rejection) and a feedback control system for stabilization.MCS is a greedy algorithm, which allocates time-slots sequentially using a cost function. This function is defined such that the time-slots with higher blocking probability are assigned first. MCS does not guarantee 100% throughput, thought it has a low blocking percentage. Our optimum scheduling approach is based on modifying the demand matrix such that the network resources are fully utilized, while the requests are optimally served. The Fair Matching Algorithm (FMA) uses the weighted max-min fairness criterion to achieve a fair share of resources amongst the connections in the network. When rejection is inevitable, FMA selects rejections such that the maximum percentage rejection experienced in the network is minimized. In another approach we formulate the rejection task as an optimization problem and propose the Minimum Rejection Algorithm (MRA), which minimizes total rejection. The minimum rejection problem is a special case of maximum flow problem. Due to the complexity of the algorithms that solve the max-flow problem we propose a heuristic algorithm with lower complexity.Scheduling in wide-area networks must be based on predictions of traffic demand and the resultant errors can lead to instability and unfairness. We design a feedback control system based on Smith's principle, which removes the destabilizing delays from the feedback loop by using a "loop cancelation" technique. The feedback control system we propose reduces the effect of prediction errors, increasing the speed of the response to sudden changes in traffic arrival rates and improving the fairness in the network through equalization of queue-lengths