Paradoxically, with an ever-increasing traffic demand, today transport-network operators experience a progressive erosion of their margins. The operational complexity, the use of manual configuration, the static nature of current technologies together with fast-changing traffic profiles lead to: inefficient network utilization, over-provisioning of resources and very high Capital expenditures (CapEx) and Operational expenses (OpEx). The alarms of change are set for network operators, and Software Define Networking (SDN) is accepted as a concrete solution to reduce CapEx and OpEx and to boost network innovation. The implementation of SDN in transport networks (T-SDN) gained big momentum in the last years, however in the networking industry, the transport network will be perhaps the last segment to embrace SDN, mainly due to the heterogeneous nature and complexity of the optical equipment composing it. This thesis starts with a deep dive into a fascinating technological adventure that provides an organic analysis of the T-SDN development and evolution. Our work is the first to consider contributions from the whole transport network ecosystem composed by: academic research, standardization bodies, industrial development, open source projects and alliances among them. After creating a comprehensive picture of T-SDN, we provide an analysis of many open issues that are expected to need significant future work, and give our vision in this path towards a fully programmable and dynamic transport network. Then, assuming the deployment of T-SDN technologies, we propose operational research formulations and heuristic algorithms for two advanced routing techniques: dynamic optical routing and multipath optical routing. Among our contributions we can highlight the novel use of spatio-temporal (tidal) traffic demand prediction to improve the dynamic routing decisions, and the first-time proposal of two techniques to mitigate the differential delay, recognized as the main problem of multipath routing: 1) Differential delay equalization using unconventional routing cycles (e.g., loops), which exploits the nature of optical communications in which delays are deterministic, 2) Transparent differential delay compensation technique based on fiber delay lines, that avoids the use of conventional electronic buffering. Finally, based on our background regarding T-SDN and advanced routing algorithms, we implemented two SDN use cases. The first use case is a T-SDN network Orchestrator for multi-domain networks, with the following capabilities: cross-domain segment routing, application-aware path selection, and multipath routing. The second use case is a path manager and the related automated testbed for evaluating Multipath TCP (MPTCP), that allowed us to deploy differential delay-aware algorithms and to experimentally demonstrate the impact of delay and differential delay on the overall performance of MPTCP.

Paradossalmente, a seguito della continua crescita del volume del traffico dati, gli operatori delle reti di trasporto sperimentano una progressiva erosione del margine di profitto. La complessità operativa, l’utilizzo di configurazione manuale, la staticità delle tecnologie attuali, insieme alla variazione temporale dei profili di traffico nelle reti di trasporto, hanno portato al sovradimensionamento e ad un utilizzo inefficiente delle risorse di rete. Tutti questi fattori hanno un impatto negativo sui costi operativi (OpEx) e sugli investimenti (CapEx). Dal punto di vista degli operatori, la situazione è allarmante. Le reti programmabili (dall’Inglese Software Defined Networking) offrono un’alternativa concreta per ridurre sia CapEx che OpEx. In più, SDN permette di innovare i protocolli di rete con una semplicità che era impensabile negli approcci tradizionali. In questo contesto, la necessità di applicare SDN alle reti di trasporto (T-SDN, dal inglese Transport-SDN) appare evidente: infatti negli ultimi anni T-SDN ha suscitato molto interesse. Tuttavia, l’adozione di SDN nelle reti di trasporto da parte degli operatori, è ritardata a causa della complessità e l’eterogeneità dei componenti delle reti ottiche. Questa tesi inizia con un’ampia introduzione allo sviluppo ed evoluzione del T-SDN. Il nostro lavoro è il primo a considerare contributi da tutto l’ecosistema delle reti di trasporto, composto da: accademia, enti di standardizzazione, industria, progetti open source e varie collaborazione tra di essi. Dopo aver fornito un quadro completo su T-SDN, presentiamo un’analisi dei problemi aperti, accompagnati dalla nostra visione verso reti di trasporto totalmente programmabili. Successivamente, abbiamo considerato uno scenario in cui l’installazione di T-SDN sia già avvenuta su larga scala. In questo contesto abbiamo proposto formulazioni di ricerca operativa ed algoritmi euristici per utilizzare efficientemente due tecniche di instradamento ottico avanzato: instradamento ottico dinamico e instradamento ottico multi-percorso. I contributi più importanti e innovativi di questo lavoro sono: l’utilizzo di predizione spazio-temporale delle richieste di traffico per ottimizzare le decisioni di instradamento dinamico e due nuove tecniche per ridurre l’impatto del ritardo differenziale, considerato l’aspetto più problematico da risolvere nel caso di instradamento multi-percorso. Le due tecniche sono: 1) equalizzazione del ritardo differenziale tramite l’utilizzo di percorsi contenenti cicli (loops) controllati sfruttando i ritardi deterministici delle reti ottiche, 2) compensazione trasparente del ritardo differenziale tramite linee di ritardo in fibra ottica che riducono la dipendenza dai costosi buffer elettronici. In fine, basandoci sull’esperienze pregresse in T-SDN e le tecniche di instradamento avanzato, presentiamo l’implementazione di SDN in due diversi scenari di uso. Il primo consiste in un orchestratore di rete di trasporto multi-dominio che ha le seguenti caratteristiche: instradamento a segmenti (segment routing) attraverso multipli domini, selezione dei percorsi di instradamento in base al tipo di servizio e instradamento multi-percorso. Il secondo scenario di uso è un manager per scegliere i percorsi di instradamento insieme ad un testbed automatico per valutare le prestazioni del TCP multi-percorso (MPTCP, dall’inglese Multi Path TCP). In questo ultimo abbiamo testato algoritmi d’instradamento multi-percorso col l’obiettivo di ridurre l’impatto del ritardo differenziale e dimostrare sperimentalmente tale effetti sull’MPTCP.

Advance optical routing techniques in the software defined era

ALVIZU GÓMEZ, RODOLFO ENRIQUE

Abstract

Paradoxically, with an ever-increasing traffic demand, today transport-network operators experience a progressive erosion of their margins. The operational complexity, the use of manual configuration, the static nature of current technologies together with fast-changing traffic profiles lead to: inefficient network utilization, over-provisioning of resources and very high Capital expenditures (CapEx) and Operational expenses (OpEx). The alarms of change are set for network operators, and Software Define Networking (SDN) is accepted as a concrete solution to reduce CapEx and OpEx and to boost network innovation. The implementation of SDN in transport networks (T-SDN) gained big momentum in the last years, however in the networking industry, the transport network will be perhaps the last segment to embrace SDN, mainly due to the heterogeneous nature and complexity of the optical equipment composing it. This thesis starts with a deep dive into a fascinating technological adventure that provides an organic analysis of the T-SDN development and evolution. Our work is the first to consider contributions from the whole transport network ecosystem composed by: academic research, standardization bodies, industrial development, open source projects and alliances among them. After creating a comprehensive picture of T-SDN, we provide an analysis of many open issues that are expected to need significant future work, and give our vision in this path towards a fully programmable and dynamic transport network. Then, assuming the deployment of T-SDN technologies, we propose operational research formulations and heuristic algorithms for two advanced routing techniques: dynamic optical routing and multipath optical routing. Among our contributions we can highlight the novel use of spatio-temporal (tidal) traffic demand prediction to improve the dynamic routing decisions, and the first-time proposal of two techniques to mitigate the differential delay, recognized as the main problem of multipath routing: 1) Differential delay equalization using unconventional routing cycles (e.g., loops), which exploits the nature of optical communications in which delays are deterministic, 2) Transparent differential delay compensation technique based on fiber delay lines, that avoids the use of conventional electronic buffering. Finally, based on our background regarding T-SDN and advanced routing algorithms, we implemented two SDN use cases. The first use case is a T-SDN network Orchestrator for multi-domain networks, with the following capabilities: cross-domain segment routing, application-aware path selection, and multipath routing. The second use case is a path manager and the related automated testbed for evaluating Multipath TCP (MPTCP), that allowed us to deploy differential delay-aware algorithms and to experimentally demonstrate the impact of delay and differential delay on the overall performance of MPTCP.
BONARINI, ANDREA
GIACOMAZZI, PAOLO
2-feb-2017
Paradossalmente, a seguito della continua crescita del volume del traffico dati, gli operatori delle reti di trasporto sperimentano una progressiva erosione del margine di profitto. La complessità operativa, l’utilizzo di configurazione manuale, la staticità delle tecnologie attuali, insieme alla variazione temporale dei profili di traffico nelle reti di trasporto, hanno portato al sovradimensionamento e ad un utilizzo inefficiente delle risorse di rete. Tutti questi fattori hanno un impatto negativo sui costi operativi (OpEx) e sugli investimenti (CapEx). Dal punto di vista degli operatori, la situazione è allarmante. Le reti programmabili (dall’Inglese Software Defined Networking) offrono un’alternativa concreta per ridurre sia CapEx che OpEx. In più, SDN permette di innovare i protocolli di rete con una semplicità che era impensabile negli approcci tradizionali. In questo contesto, la necessità di applicare SDN alle reti di trasporto (T-SDN, dal inglese Transport-SDN) appare evidente: infatti negli ultimi anni T-SDN ha suscitato molto interesse. Tuttavia, l’adozione di SDN nelle reti di trasporto da parte degli operatori, è ritardata a causa della complessità e l’eterogeneità dei componenti delle reti ottiche. Questa tesi inizia con un’ampia introduzione allo sviluppo ed evoluzione del T-SDN. Il nostro lavoro è il primo a considerare contributi da tutto l’ecosistema delle reti di trasporto, composto da: accademia, enti di standardizzazione, industria, progetti open source e varie collaborazione tra di essi. Dopo aver fornito un quadro completo su T-SDN, presentiamo un’analisi dei problemi aperti, accompagnati dalla nostra visione verso reti di trasporto totalmente programmabili. Successivamente, abbiamo considerato uno scenario in cui l’installazione di T-SDN sia già avvenuta su larga scala. In questo contesto abbiamo proposto formulazioni di ricerca operativa ed algoritmi euristici per utilizzare efficientemente due tecniche di instradamento ottico avanzato: instradamento ottico dinamico e instradamento ottico multi-percorso. I contributi più importanti e innovativi di questo lavoro sono: l’utilizzo di predizione spazio-temporale delle richieste di traffico per ottimizzare le decisioni di instradamento dinamico e due nuove tecniche per ridurre l’impatto del ritardo differenziale, considerato l’aspetto più problematico da risolvere nel caso di instradamento multi-percorso. Le due tecniche sono: 1) equalizzazione del ritardo differenziale tramite l’utilizzo di percorsi contenenti cicli (loops) controllati sfruttando i ritardi deterministici delle reti ottiche, 2) compensazione trasparente del ritardo differenziale tramite linee di ritardo in fibra ottica che riducono la dipendenza dai costosi buffer elettronici. In fine, basandoci sull’esperienze pregresse in T-SDN e le tecniche di instradamento avanzato, presentiamo l’implementazione di SDN in due diversi scenari di uso. Il primo consiste in un orchestratore di rete di trasporto multi-dominio che ha le seguenti caratteristiche: instradamento a segmenti (segment routing) attraverso multipli domini, selezione dei percorsi di instradamento in base al tipo di servizio e instradamento multi-percorso. Il secondo scenario di uso è un manager per scegliere i percorsi di instradamento insieme ad un testbed automatico per valutare le prestazioni del TCP multi-percorso (MPTCP, dall’inglese Multi Path TCP). In questo ultimo abbiamo testato algoritmi d’instradamento multi-percorso col l’obiettivo di ridurre l’impatto del ritardo differenziale e dimostrare sperimentalmente tale effetti sull’MPTCP.
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