Energy-aware routing techniques for software-defined networks

Achieving energy efficiency has recently become a key topic of networking research due to the ever-increasing power consumption and CO2 emissions generated by large data networks. This problem is becoming even more concerning and challenging given the drastic traffic increase expected over the next few years. However, the use of efficient energy-aware strategies could overturn this situation reducing the electricity consumption of Internet data transmission networks, as well as contributing to mitigate the environmental impact of other sectors. The existence of redundant network elements with high capacities is a common design practice in current network infrastructures in order to face suddenly failures or peak traffic flows. However, these additional resources remain either unused or barely used most of the time leading to an undesired energy waste. Therefore, putting into sleep mode (i.e. a low-power state) unused elements is an effective and widely-accepted strategy to decrease the consumption of data networks. In this context, SDN can be seen as an attractive solution to achieve the long-awaited energy efficiency in current communications systems, since they allow a flexible programmability suitable for this problem. This doctoral thesis tackles the problem of optimizing the power consumption in SDN through the design of energy-aware routing techniques that minimize the number of network elements required to satisfy an incoming traffic load. Different from existing related works, we focus on optimizing energy consumption in SDN with in-band control traffic in order to close this important gap in the literature and provide solutions compatible with operational backbone networks. Complementing the general aim of improving the energy efficiency in SDN, this research is also intended to cover important related features such as network performance, QoS requirements and real-time operation. Accordingly, this study gives a general perspective about the use of energy efficient routing techniques, which cover integrated routing considerations for the data and control plane traffic in SDN. By using realistic input data, significant values of switched-off links and nodes are reached, which demonstrates the great opportunity for saving energy given by our proposals. The obtained results have also validated the intrinsic trade-off between environmental and performance concerns, considering several performance indicators. These findings confirm that energy-aware routing schemes should be designed considering specific traffic requirements and performance metric bounds. Moreover, it is shown that jointly considering QoS requirements and energy awareness is an effective approach to improve, not only the power consumption, but the performance on critical parameters such as control traffic delay and blocking rate. Similarly, the proposed dynamic traffic allocation with congestion-aware rerouting is able to handle demanding traffic arrival without degrading the performance of higher priority traffic. In general, our proposals are fine-grained, easy to implement and quite balanced and effective in their results looking for a suitable and readily deployment in real-world SDN scenarios. Therefore, the conducted research and contributions reported through this document not only add to what is known about the potential of energy-aware routing techniques, but also stand as a valuable solution on the road to a sustainable networking.L'assoliment de l'eficiència energètica s'ha convertit recentment en un tema clau de recerca de xarxes a causa dels creixents nivells de consum d'energia i emissions de CO2 generats per les xarxes de dades. Aquest problema es torna cada vegada més preocupant i desafiant, donat el dràstic augment del trànsit esperat en els propers anys. No obstant això, l'ús d'estratègies energètiques eficients podria invertir aquesta situació, reduint el consum d'electricitat de les xarxes de dades d'Internet i contribuint a mitigar l'impacte ambiental d'altres sectors. L'existència d'elements de xarxa redundants i amb grans capacitats és una pràctica de disseny habitual en les infraestructures de xarxes actuals per afrontar fallades sobtades o fluxos de trànsit més elevats. Tanmateix, aquests recursos addicionals romanen poc o gens utilitzats la major part del temps, generant un desaprofitament d'energia no desitjat. Per tant, posar en mode de repòs (és a dir, un estat de baixa potència) elements no utilitzats és una estratègia efectiva i àmpliament acceptada per disminuir el consum en xarxes de dades. En aquest context, les xarxes definides per programari (SDN) es poden considerar una solució atractiva per aconseguir l'esperada eficiència energètica en els sistemes de comunicacions actuals, ja que permeten una flexible programabilitat idònia per a aquest problema. Aquesta tesi doctoral aborda el problema d'optimitzar el consum d'energia en SDN a través del disseny de tècniques d'encaminament conscients de l'energia que minimitzen la quantitat d'elements de xarxa necessaris per satisfer una càrrega de trànsit entrant. Diferent dels treballs existents, aquesta tesi es centra a optimitzar el consum d'energia en SDN amb el control de tràfic dins de banda per tancar aquesta important bretxa en la literatura i proporcionar solucions compatibles amb xarxes troncals operatives. Complementant l'objectiu general de millorar l'eficiència energètica en SDN, aquesta recerca també pretén cobrir altres importants paràmetres relacionats, com ara el rendiment de la xarxa, els requisits de qualitat de servei (QoS) i el funcionament en temps real. En conseqüència, aquest estudi ofereix una perspectiva general sobre l'ús de tècniques d'encaminament eficients energèticament, que contempla consideracions integrades per al tràfic de dades i del pla de control en SDN. Prenent dades d'entrada realistes, es van aconseguir desconnectar significatives quantitats d'enllaços i nodes, la qual cosa demostra la gran oportunitat d'estalvi d'energia que ofereixen les nostres propostes. Els resultats obtinguts també validen el estret compromís entre les preocupacions ambientals i les qüestions de rendiment de la xarxa, considerant diversos indicadors de rendiment. Aquests resultats confirmen que els esquemes d'encaminament conscients de l'energia s'han de dissenyar tenint en compte els requisits de tràfic específics i els límits desitjats de les mètriques de rendiment. A més, es demostra que, considerant conjuntament els requisits de QoS i de l'energia necessària, és un enfocament eficaç per millorar, no només el consum d'energia, sinó també el rendiment en paràmetres crítics, com la latència del tràfic de control i la probabilitat de bloqueig. De manera semblant, l'assignació dinàmica de tràfic proposta, amb re-encaminament conscient de la congestió, permet gestionar grans volums de trànsit sense degradar el rendiment de les demandes de major prioritat. En general, les nostres propostes són precises, fàcils d'implementar i bastant equilibrades i efectives en els seus resultats, buscant un desplegament adequat i fàcil en escenaris pràctics de SDN. Per tant, la recerca realitzada i les contribucions contingudes en aquest document no només afegeixen el que es coneix sobre el potencial de les tècniques d'encaminament conscients de l'energia, sinó que també representen una valuosa solució en el camí cap a una xarxa sostenibl

Self-healing topology discovery protocol for software defined networks

“© 2018 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works. http://ieeexplore.ieee.org/document/8319433/”This letter presents the design of a self-healing protocol for automatic discovery and maintenance of the network topology in Software Defined Networks (SDN). The proposed protocol integrates two enhanced features (i.e. layer 2 topology discovery and autonomic fault recovery) in a unified mechanism. This novel approach is validated through simulation experiments using OMNET++. Obtained results show that our protocol discovers and recovers the control topology efficiently in terms of time and message load over a wide range of generated networks.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Energy-aware routing in multiple domains software defined networks

The growing energy consumption of communication networks has attracted the attention of the networking researchers in the last decade. In this context, the new architecture of Software-Defined Networks (SDN) allows a flexible programmability, suitable for the power-consumption optimization problem. In this paper we address the issue of designing a novel distributed routing algorithm that optimizes the power consumption in large scale SDN with multiple domains. The solution proposed, called DEAR (Distributed Energy- Aware Routing), tackles the problem of minimizing the number of links that can be used to satisfy a given data traffic demand under performance constraints such as control traffic delay and link utilization. To this end, we present a complete formulation of the optimization problem that considers routing requirements for control and data plane communications. Simulation results confirm that the proposed solution enables the achievement of significant energy savings.Peer ReviewedPostprint (published version

Discovering the network topology: an efficient approach for SDN

Network topology is a physical description of the overall resources in the network. Collecting this information using efficient mechanisms becomes a critical task for important network functions such as routing, network management, quality of service (QoS), among many others. Recent technologies like Software-Defined Networks (SDN) have emerged as promising approaches for managing the next generation networks. In order to ensure a proficient topology discovery service in SDN, we propose a simple agents-based mechanism. This mechanism improves the overall efficiency of the topology discovery process. In this paper, an algorithm for a novel Topology Discovery Protocol (SD-TDP) is described. This protocol will be implemented in each switch through a software agent. Thus, this approach will provide a distributed solution to solve the problem of network topology discovery in a more simple and efficient way.Peer ReviewedPostprint (published version

Diseño e implementación de sistemas de control de tiempo real mediante herramientas de generación automática de código

Este proyecto expone el diseño de una aplicación de control de tiempo real mediante herramientas de generación de código automática. El caso práctico desarrollado consiste en un sistema bola-plato, un sistema no lineal e inestable, extensión en dos dimensiones del problema bola-biga, controlado vía un sistema microprocesador. Las herramientas de generación automática de código ayudan a los programadores de sistemas embebidos permitiendo diseñar los controladores desde modelos descritos en niveles de abstracción altos, como puede ser un diagrama de bloques, y luego generar el código máquina a implementar sobre el sistema empotrado. Tras una primera etapa de estudio del sistema a bola-plato, se han diseñado varios controladores para obtener el código de cuatro controladores diseñados para la regulación del sistema y para que el sistema siga una señal de referencia. La implementación de los sistemas de control sobre lamaqueta se ha realizado mediante el generador de código para sistemas embebidos E4Coder, que tiene funcionalidades específicas para gestionar sistemas de tiempo real. De todo el proceso de estudio y diseño, se presentan varias conclusiones y se proponen futuras vías de trabajo

Effect of Nrf2 transcription factor silencing in human synoviocytes

[Resumen] Las técnicas de cultivos celulares son herramientas fundamentales en múltiples investigaciones científicas dentro del campo de Ciencias de la Salud, de forma que permiten abrir nuevos frentes y alcanzar innumerables logros. Así, enfermedades como la artritis reumatoide (AR), caracterizadas por un importante componente inflamatorio que culmina en la destrucción tisular, pueden ser estudiadas en mayor profundidad, y ello permite el desarrollo de diagnósticos y terapias eficaces. El factor de transcripción Nrf2 se encuentra implicado en la respuesta anti-inflamatoria que tiene lugar cuando aumenta el estrés oxidativo durante el inicio y evolución de la artritis reumatoide, siendo el factor principal en la activación de genes de respuesta antioxidante. En el presente trabajo se estudiará cual es el efecto del silenciamiento artificial del factor de transcripción Nrf2 mediante interferencia por ARN (transfección). La transfección se llevará a cabo sobre un cultivo primario de células sinoviales humanas de paciente con patología AR utilizando un electroporador Amaxa, y se analizarán los efectos de la inhibición de Nrf2 en los homogenados de las células transfectadas empleando la técnica del Western-blot.[Abstract] Cell culture techniques are essential tools in multiple scientific research within the field of Health Sciences, in this way, they allows us to open new frontiers and achieve many accomplishments. Thus, diseases such as rheumatoid arthritis, characterized by a significant inflammatory component that’s culminates in tissue destruction, can be studied in more depth, and it allows us to carry out an effective diagnosis and therapy. The transcription factor Nrf2 is involved in the anti-inflammatory response that occurs when the oxidative stress increases in the beginning and development of rheumatoid arthritis, being the main factor in the antioxidant response genes activation. In the present project we will study what is the effect of the artificial transcription factor Nrf2 silencing by RNA interference (transfection). Transfection was conducted on a primary culture of human synovial cells from patient with rheumatoid arthritis by using an Amaxa electroporator, and the effects of Nrf2 inhibition will be analyzed in homogenates of the transfected cells using the Western-blot technique.Traballo fin de grao (UDC.CIE). Bioloxía. Curso 2014/201

Les restes romanes del carrer Avinyó dins l'urbanisme de Barcino

L’excavació al subsòl de les finques número 15 d’Avinyó i 4 de Pou Dolç de Barcelona, ens han permès documentar part de la trama urbana de l’angle SO de la colònia de Barcino. Les restes de l’ocupació romana, es diferencien entre la línia defensiva tardana (pany de muralla i fonamentació de la torre 23), la zona de l’interuallum, i l’espai privat d'una domus. El conjunt es data entre mitjans del segle I i el finals del segle IV, inicis del segle V dC. Entre els elements recuperats es troben dos paviments d’opus tessellatum, un paviment d’opus sectile i gran quantitat de fragments de pintura mural. L’excavació també ens ha permès poder fer aportacions a nivell d’urbanisme en l’esmentat quadrant SO de la ciutat romana.The excavation of the subsoil of 15 Avinyo street and 4 Pou Dolc street in Barcelona has allowed us to document (register?) part of the urban plot of the south west angle of the colony of Barcino. The Roman evidence recovered includes the late defensive wall structure (lock of wall and foundation tower 23), the interuallum area and the private space of the domus. The dates obtained indicate a chronological span between the first and the end of the fourth century AD. Some of the discoveries include two pavements of opus tessellatum, a pavement of opus sectile and large quantities of wall (?) painting. The excavation has also facilitated work on urban planning at the south west quadrant of the Roman city

Energy-aware routing techniques for software-defined networks

Achieving energy efficiency has recently become a key topic of networking research due to the ever-increasing power consumption and CO2 emissions generated by large data networks. This problem is becoming even more concerning and challenging given the drastic traffic increase expected over the next few years. However, the use of efficient energy-aware strategies could overturn this situation reducing the electricity consumption of Internet data transmission networks, as well as contributing to mitigate the environmental impact of other sectors. The existence of redundant network elements with high capacities is a common design practice in current network infrastructures in order to face suddenly failures or peak traffic flows. However, these additional resources remain either unused or barely used most of the time leading to an undesired energy waste. Therefore, putting into sleep mode (i.e. a low-power state) unused elements is an effective and widely-accepted strategy to decrease the consumption of data networks. In this context, SDN can be seen as an attractive solution to achieve the long-awaited energy efficiency in current communications systems, since they allow a flexible programmability suitable for this problem. This doctoral thesis tackles the problem of optimizing the power consumption in SDN through the design of energy-aware routing techniques that minimize the number of network elements required to satisfy an incoming traffic load. Different from existing related works, we focus on optimizing energy consumption in SDN with in-band control traffic in order to close this important gap in the literature and provide solutions compatible with operational backbone networks. Complementing the general aim of improving the energy efficiency in SDN, this research is also intended to cover important related features such as network performance, QoS requirements and real-time operation. Accordingly, this study gives a general perspective about the use of energy efficient routing techniques, which cover integrated routing considerations for the data and control plane traffic in SDN. By using realistic input data, significant values of switched-off links and nodes are reached, which demonstrates the great opportunity for saving energy given by our proposals. The obtained results have also validated the intrinsic trade-off between environmental and performance concerns, considering several performance indicators. These findings confirm that energy-aware routing schemes should be designed considering specific traffic requirements and performance metric bounds. Moreover, it is shown that jointly considering QoS requirements and energy awareness is an effective approach to improve, not only the power consumption, but the performance on critical parameters such as control traffic delay and blocking rate. Similarly, the proposed dynamic traffic allocation with congestion-aware rerouting is able to handle demanding traffic arrival without degrading the performance of higher priority traffic. In general, our proposals are fine-grained, easy to implement and quite balanced and effective in their results looking for a suitable and readily deployment in real-world SDN scenarios. Therefore, the conducted research and contributions reported through this document not only add to what is known about the potential of energy-aware routing techniques, but also stand as a valuable solution on the road to a sustainable networking.L'assoliment de l'eficiència energètica s'ha convertit recentment en un tema clau de recerca de xarxes a causa dels creixents nivells de consum d'energia i emissions de CO2 generats per les xarxes de dades. Aquest problema es torna cada vegada més preocupant i desafiant, donat el dràstic augment del trànsit esperat en els propers anys. No obstant això, l'ús d'estratègies energètiques eficients podria invertir aquesta situació, reduint el consum d'electricitat de les xarxes de dades d'Internet i contribuint a mitigar l'impacte ambiental d'altres sectors. L'existència d'elements de xarxa redundants i amb grans capacitats és una pràctica de disseny habitual en les infraestructures de xarxes actuals per afrontar fallades sobtades o fluxos de trànsit més elevats. Tanmateix, aquests recursos addicionals romanen poc o gens utilitzats la major part del temps, generant un desaprofitament d'energia no desitjat. Per tant, posar en mode de repòs (és a dir, un estat de baixa potència) elements no utilitzats és una estratègia efectiva i àmpliament acceptada per disminuir el consum en xarxes de dades. En aquest context, les xarxes definides per programari (SDN) es poden considerar una solució atractiva per aconseguir l'esperada eficiència energètica en els sistemes de comunicacions actuals, ja que permeten una flexible programabilitat idònia per a aquest problema. Aquesta tesi doctoral aborda el problema d'optimitzar el consum d'energia en SDN a través del disseny de tècniques d'encaminament conscients de l'energia que minimitzen la quantitat d'elements de xarxa necessaris per satisfer una càrrega de trànsit entrant. Diferent dels treballs existents, aquesta tesi es centra a optimitzar el consum d'energia en SDN amb el control de tràfic dins de banda per tancar aquesta important bretxa en la literatura i proporcionar solucions compatibles amb xarxes troncals operatives. Complementant l'objectiu general de millorar l'eficiència energètica en SDN, aquesta recerca també pretén cobrir altres importants paràmetres relacionats, com ara el rendiment de la xarxa, els requisits de qualitat de servei (QoS) i el funcionament en temps real. En conseqüència, aquest estudi ofereix una perspectiva general sobre l'ús de tècniques d'encaminament eficients energèticament, que contempla consideracions integrades per al tràfic de dades i del pla de control en SDN. Prenent dades d'entrada realistes, es van aconseguir desconnectar significatives quantitats d'enllaços i nodes, la qual cosa demostra la gran oportunitat d'estalvi d'energia que ofereixen les nostres propostes. Els resultats obtinguts també validen el estret compromís entre les preocupacions ambientals i les qüestions de rendiment de la xarxa, considerant diversos indicadors de rendiment. Aquests resultats confirmen que els esquemes d'encaminament conscients de l'energia s'han de dissenyar tenint en compte els requisits de tràfic específics i els límits desitjats de les mètriques de rendiment. A més, es demostra que, considerant conjuntament els requisits de QoS i de l'energia necessària, és un enfocament eficaç per millorar, no només el consum d'energia, sinó també el rendiment en paràmetres crítics, com la latència del tràfic de control i la probabilitat de bloqueig. De manera semblant, l'assignació dinàmica de tràfic proposta, amb re-encaminament conscient de la congestió, permet gestionar grans volums de trànsit sense degradar el rendiment de les demandes de major prioritat. En general, les nostres propostes són precises, fàcils d'implementar i bastant equilibrades i efectives en els seus resultats, buscant un desplegament adequat i fàcil en escenaris pràctics de SDN. Per tant, la recerca realitzada i les contribucions contingudes en aquest document no només afegeixen el que es coneix sobre el potencial de les tècniques d'encaminament conscients de l'energia, sinó que també representen una valuosa solució en el camí cap a una xarxa sosteniblePostprint (published version

A multi-objective routing strategy for QoS and energy awareness in software-defined networks

“© © 2018 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works. http://ieeexplore.ieee.org/document/8013750/”Energy consumption is a key concern in the deployment and operation of current data networks, for which Software-Defined Networks (SDN) have become a promising alternative. Although several works have been proposed to improve the energy efficiency, these techniques may lead to performance degradations when QoS requirements are neglected. Inspired by this problem, this letter introduces a new routing strategy, jointly considering QoS requirements and energy awareness in SDN with in-band control traffic. To that end, we present a complete formulation of the optimization problem and implement a Multi- Objective Evolutionary Algorithm. Simulation results validate the performance improvement on critical network parameters.Peer ReviewedPostprint (published version