Towards Scalable Cost-Effective Service and Survivability Provisioning in Ultra High Speed Networks

Optical transport networks based on wavelength division multiplexing (WDM) are considered to be the most appropriate choice for future Internet backbone. On the other hand, future DOE networks are expected to have the ability to dynamically provision on-demand survivable services to suit the needs of various high performance scientific applications and remote collaboration. Since a failure in aWDMnetwork such as a cable cut may result in a tremendous amount of data loss, efficient protection of data transport in WDM networks is therefore essential. As the backbone network is moving towards GMPLS/WDM optical networks, the unique requirement to support DOE’s science mission results in challenging issues that are not directly addressed by existing networking techniques and methodologies. The objectives of this project were to develop cost effective protection and restoration mechanisms based on dedicated path, shared path, preconfigured cycle (p-cycle), and so on, to deal with single failure, dual failure, and shared risk link group (SRLG) failure, under different traffic and resource requirement models; to devise efficient service provisioning algorithms that deal with application specific network resource requirements for both unicast and multicast; to study various aspects of traffic grooming in WDM ring and mesh networks to derive cost effective solutions while meeting application resource and QoS requirements; to design various diverse routing and multi-constrained routing algorithms, considering different traffic models and failure models, for protection and restoration, as well as for service provisioning; to propose and study new optical burst switched architectures and mechanisms for effectively supporting dynamic services; and to integrate research with graduate and undergraduate education. All objectives have been successfully met. This report summarizes the major accomplishments of this project. The impact of the project manifests in many aspects: First, the project addressed many essential problems that arisen in current and future WDM optical networks, and provided a host of innovative solutions though there was no invention or patent filing. This project resulted in more than 2 dozens publications in major journals and conferences (including papers in IEEE Transactions and journals, as well as a book chapter). Our publications have been cited by many peer researchers. In particular, one of our conference papers was nominated for the best paper award of IEEE/Create-Net Broadnets (International Conference on Broadband Communications, Networks, and Systems) 2006. Second, the results and solutions of this project were well received by DOE Labs where presentations were given by the PI. We hope to continue the collaboration with DOE Labs in the future. Third, the project was the first to propose and extensively study multicast traffic grooming, new traffic models such as sliding scheduled traffic model and scheduled traffic model. Our research has sparkled a flurry of recent studies and publications by the research community in these areas. Fourth, the project has benefited a diverse population of students by motivating, engaging, enhancing their learning and skills. The project has been conducted in a manner conducive to the training of students both at graduate and undergraduate levels. As a result, one Ph.D., Dr. Abdur Billah, was graduated. Another Ph.D. student, Tianjian Li, will graduate in January 2007. In addition, four MS students were graduated. One undergraduate student, Jeffrey Alan Shininger, completed his university honors project. Fifth, thanks to the support of this ECPI project, the PI has obtained additional funding from the National Science Foundation, the Air Force Research Lab, and other sources. A few other proposals are pending. Finally, this project has also significantly impacted the curricula and resulted in the enhancement of courses at the graduate and undergraduate levels, therefore strengthening the bond between research and education

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

Routage adaptatif et qualité de service dans les réseaux optiques à commutation de rafales

Les réseaux optiques à commutation de rafales (OBS) sont des candidats pour jouer un rôle important dans le cadre des réseaux optiques de nouvelle génération. Dans cette thèse, nous nous intéressons au routage adaptatif et au provisionnement de la qualité de service dans ce type de réseaux. Dans une première partie de la thèse, nous nous intéressons à la capacité du routage multi-chemins et du routage alternatif (par déflection) à améliorer les performances des réseaux OBS, pro-activement pour le premier et ré-activement pour le second. Dans ce contexte, nous proposons une approche basée sur l’apprentissage par renforcement où des agents placés dans tous les nœuds du réseau coopèrent pour apprendre, continuellement, les chemins du routage et les chemins alternatifs optimaux selon l’état actuel du réseau. Les résultats numériques montrent que cette approche améliore les performances des réseaux OBS comparativement aux solutions proposées dans la littérature. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous intéressons au provisionnement absolu de la qualité de service où les performances pire-cas des classes de trafic de priorité élevée sont garanties quantitativement. Plus spécifiquement, notre objectif est de garantir la transmission sans pertes des rafales de priorité élevée à l’intérieur du réseau OBS tout en préservant le multiplexage statistique et l’utilisation efficace des ressources qui caractérisent les réseaux OBS. Aussi, nous considérons l’amélioration des performances du trafic best effort. Ainsi, nous proposons deux approches : une approche basée sur les nœuds et une approche basée sur les chemins. Dans l’approche basée sur les nœuds, un ensemble de longueurs d’onde est assigné à chaque nœud du bord du réseau OBS pour qu’il puisse envoyer son trafic garanti. Cette assignation prend en considération les distances physiques entre les nœuds du bord. En outre, nous proposons un algorithme de sélection des longueurs d’onde pour améliorer les performances des rafales best effort. Dans l’approche basée sur les chemins, le provisionnement absolu de la qualité de service est fourni au niveau des chemins entre les nœuds du bord du réseau OBS. À cette fin, nous proposons une approche de routage et d’assignation des longueurs d’onde qui a pour but la réduction du nombre requis de longueurs d’onde pour établir des chemins sans contentions. Néanmoins, si cet objectif ne peut pas être atteint à cause du nombre limité de longueurs d’onde, nous proposons de synchroniser les chemins en conflit sans le besoin pour des équipements additionnels. Là aussi, nous proposons un algorithme de sélection des longueurs d’onde pour les rafales best effort. Les résultats numériques montrent que l’approche basée sur les nœuds et l’approche basée sur les chemins fournissent le provisionnement absolu de la qualité de service pour le trafic garanti et améliorent les performances du trafic best effort. En outre, quand le nombre de longueurs d’ondes est suffisant, l’approche basée sur les chemins peut accommoder plus de trafic garanti et améliorer les performances du trafic best effort par rapport à l’approche basée sur les nœuds.Optical Burst Switching (OBS) networks are candidates to play an important role in the context of next generation optical networks. In this thesis, we are interested in adaptive routing and quality of service provisioning for these networks. In the first part of the thesis, we study the capability of multi-path routing and alternative routing (deflection routing) to improve the performance of the OBS network proactively for the former and reactively for the latter. In this context, we propose a reinforcement learning-based approach where learning agents, placed in each OBS node, cooperate to learn, continuously, optimal routing paths and alternative paths according to the current state of the network. Numerical results show that the proposed approach improves the performance of the OBS network compared to existing solutions in the literature. In the second part of the thesis, we consider the problem of absolute quality of service provisioning for OBS networks where worst-case performance of high priority traffic is guaranteed quantitatively. Particularly, we are interested in the loss-free transmission, inside the OBS network, of high priority bursts, while preserving statistical multiplexing gain and high resources utilization of the OBS network. Also, we aim to improve the performance of best effort traffic. Hence, we propose two approaches: (a) the node-based approach; and (b) the path-based approach. In the node-based approach, we propose to assign a set of wavelengths to each OBS edge node that it can use to send its guaranteed traffic. This assignment takes into consideration physical distances between edge nodes. Furthermore, we propose a wavelength selection algorithm to improve the performance of best effort bursts. In the path-based approach, absolute quality of service provisioning is offered at end-to-end path level. To do this, we propose a routing and wavelength assignment approach which aims to reduce the number of wavelengths required to establish contention free paths. Nevertheless, if this objective cannot be reached because of the limited number of wavelengths in each fiber link, we propose an approach to synchronize overlapping paths without the need for additional equipments for synchronization. Here again, we propose a wavelength selection algorithm for best effort bursts. Numerical results show that both the node-based and the path-based approaches successfully provide absolute quality of service provisioning for guaranteed traffic and improve the performance of best effort traffic. Also, path-based approach could accommodate more guaranteed traffic and improve the performance of best effort traffic compared to node-based approach when the number of wavelengths is sufficient

Resource Allocation Schemes And Performance Evaluation Models For Wavelength Division Multiplexed Optical Networks

Wavelength division multiplexed (WDM) optical networks are rapidly becoming the technology of choice in network infrastructure and next-generation Internet architectures. WDM networks have the potential to provide unprecedented bandwidth, reduce processing cost, achieve protocol transparency, and enable efficient failure handling. This dissertation addresses the important issues of improving the performance and enhancing the reliability of WDM networks as well as modeling and evaluating the performance of these networks. Optical wavelength conversion is one of the emerging WDM enabling technologies that can significantly improve bandwidth utilization in optical networks. A new approach for the sparse placement of full wavelength converters based on the concept of the k-Dominating Set (k-DS) of a graph is presented. The k-DS approach is also extended to the case of limited conversion capability using three scalable and cost-effective switch designs: flexible node-sharing, strict node-sharing and static mapping. Compared to full search algorithms previously proposed in the literature, the K-DS approach has better blocking performance, has better time complexity and avoids the local minimum problem. The performance benefit of the K-DS approach is demonstrated by extensive simulation. Fiber delay line (FDL) is another emerging WDM technology that can be used to obtain limited optical buffering capability. A placement algorithm, k-WDS, for the sparse placement of FDLs at a set of selected nodes in Optical Burst Switching (OBS) networks is proposed. The algorithm can handle both uniform and non-uniform traffic patterns. Extensive performance tests have shown that k-WDS provides more efficient placement of optical fiber delay lines than the well-known approach of placing the resources at nodes with the highest experienced burst loss. Performance results that compare the benefit of using FDLs versus using optical wavelength converters (OWCs) are presented. A new algorithm, A-WDS, for the placement of an arbitrary numbers of FDLs and OWCs is introduced and is evaluated under different non-uniform traffic loads. This dissertation also introduces a new cost-effective optical switch design using FDL and a QoS-enhanced JET (just enough time) protocol suitable for optical burst switched WDM networks. The enhanced JET protocol allows classes of traffic to benefit from FDLs and OWCs while minimizing the end-to-end delay for high priority bursts. Performance evaluation models of WDM networks represent an important research area that has received increased attention. A new analytical model that captures link dependencies in all-optical WDM networks under uniform traffic is presented. The model enables the estimation of connection blocking probabilities more accurately than previously possible. The basic formula of the dependency between two links in this model reflects their degree of adjacency, the degree of connectivity of the nodes composing them and their carried traffic. The usefulness of the model is illustrated by applying it to the sparse wavelength converters placement problem in WDM networks. A lightpath containing converters is divided into smaller sub-paths such that each sub-path is a wavelength continuous path and the nodes shared between these sub-paths are full wavelength conversion capable. The blocking probability of the entire path is obtained by computing the blocking probabilities of the individual sub-paths. The analytical-based sparse placement algorithm is validated by comparing it with its simulation-based counterpart using a number of network topologies. Rapid recovery from failure and high levels of reliability are extremely important in WDM networks. A new Fault Tolerant Path Protection scheme, FTPP, for WDM mesh networks based on the alarming state of network nodes and links is introduced. The results of extensive simulation tests show that FTPP outperforms known path protection schemes in terms of loss of service ratio and network throughput. The simulation tests used a wide range of values for the load intensity, the failure arrival rate and the failure holding time. The FTPP scheme is next extended to the differentiated services model and its connection blocking performance is evaluated. Finally, a QoS-enhanced FTPP (QEFTPP) routing and path protection scheme in WDM networks is presented. QEFTPP uses preemption to minimize the connection blocking percentage for high priority traffic. Extensive simulation results have shown that QEFTPP achieves a clear QoS differentiation among the traffic classes and provides a good overall network performance

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

Analytic modelling and resource dimensioning of optical burst switched networks

The realisation of optical network architectures may hold the key to delivering the enormous bandwidth demands of next generation Internet applications and services. Optical Burst Switching (OBS) is a potentially cost-effective switching technique that can satisfy these demands by offering a high bit rate transport service that is bandwidth-efficient under dynamic Internet traffic loads. Although various aspects of OBS performance have been extensively investigated, there remains a need to systematically assess the cost/performance trade-offs involved in dimensioning OBS switch resources in a network. This goal is essential in enabling the future deployment of OBS but poses a significant challenge due to the complexity of obtaining tractable mathematical models applicable to OBS network optimisation. The overall aim of this thesis lies within this challenge. This thesis firstly develops a novel analytic performance model of an OBS node where burst contention is resolved by combined use of Tuneable Wavelength Converters (TWCs) and Fibre Delay Lines (FDLs) connected in an efficient share-per-node configuration. The model uses a two-moment traffic representation that gives a good trade-off between accuracy and complexity, and is suitable for extension to use in network modelling. The OBS node model is then used to derive an approximate analytic model of an OBS network of switches equipped with TWCs and FDLs, again maintaining a two-moment traffic model for each end-to-end traffic path in the network. This allows evaluation of link/route loss rates under different offered traffic characteristics, whereas most OBS network models assume only a single-moment traffic representation. In the last part of this thesis, resource dimensioning of OBS networks is performed by solving single and multi-objective optimisation problems based on the analytic network model. The optimisation objectives relate to equipment cost minimisation and throughput maximisation under end-to-end loss rate constraints. Due to non-convexity of the network performance constraint equations, a search heuristic approach has been taken using a constraint-handling genetic algorithm

Traffic and performance evaluation for optical networks. An Investigation into Modelling and Characterisation of Traffic Flows and Performance Analysis and Engineering for Optical Network Architectures.

The convergence of multiservice heterogeneous networks and ever increasing Internet applications, like peer to peer networking and the increased number of users and services, demand a more efficient bandwidth allocation in optical networks. In this context, new architectures and protocols are needed in conjuction with cost effective quantitative methodologies in order to provide an insight into the performance aspects of the next and future generation Internets. This thesis reports an investigation, based on efficient simulation methodologies, in order to assess existing high performance algorithms and to propose new ones. The analysis of the traffic characteristics of an OC-192 link (9953.28 Mbps) is initially conducted, a requirement due to the discovery of self-similar long-range dependent properties in network traffic, and the suitability of the GE distribution for modelling interarrival times of bursty traffic in short time scales is presented. Consequently, using a heuristic approach, the self-similar properties of the GE/G/¿ are being presented, providing a method to generate self-similar traffic that takes into consideration burstiness in small time scales. A description of the state of the art in optical networking providing a deeper insight into the current technologies, protocols and architectures in the field, which creates the motivation for more research into the promising switching technique of ¿Optical Burst Switching¿ (OBS). An investigation into the performance impact of various burst assembly strategies on an OBS edge node¿s mean buffer length is conducted. Realistic traffic characteristics are considered based on the analysis of the OC-192 backbone traffic traces. In addition the effect of burstiness in the small time scales on mean assembly time and burst size distribution is investigated. A new Dynamic OBS Offset Allocation Protocol is devised and favourable comparisons are carried out between the proposed OBS protocol and the Just Enough Time (JET) protocol, in terms of mean queue length, blocking and throughput. Finally the research focuses on simulation methodologies employed throughout the thesis using the Graphics Processing Unit (GPU) on a commercial NVidia GeForce 8800 GTX, which was initially designed for gaming computers. Parallel generators of Optical Bursts are implemented and simulated in ¿Compute Unified Device Architecture¿ (CUDA) and compared with simulations run on general-purpose CPU proving the GPU to be a cost-effective platform which can significantly speed-up calculations in order to make simulations of more complex and demanding networks easier to develop

Telecommunications Networks

This book guides readers through the basics of rapidly emerging networks to more advanced concepts and future expectations of Telecommunications Networks. It identifies and examines the most pressing research issues in Telecommunications and it contains chapters written by leading researchers, academics and industry professionals. Telecommunications Networks - Current Status and Future Trends covers surveys of recent publications that investigate key areas of interest such as: IMS, eTOM, 3G/4G, optimization problems, modeling, simulation, quality of service, etc. This book, that is suitable for both PhD and master students, is organized into six sections: New Generation Networks, Quality of Services, Sensor Networks, Telecommunications, Traffic Engineering and Routing