A MILP-based model for PNE-led cooperation among Datacenter Providers and network carriers during disaster recovery

As cloud networks evolve to support 5G and upcoming 6G technologies, backbone telecom infrastructures assume a critical role, requiring high reliability and extensive connectivity. These requirements are driven by modern network applications provided by cloud datacenter providers (DCPs) and hosted on network carriers resources. However, when a disaster strikes, such as an earthquake, it causes fiber link failure, leading to significant downtime in service provisioning. In such situations, cooperation among network carriers and DCPs is essential for efficient service restoration, but it is often hindered by resource and confidentiality concerns. Previous efforts to address this issue propose a third-party neutral entity, the Provider Neutral Exchange (PNE), to mediate a feedback-based process between DCPs and carriers. However, this iterative feedback loop can be too slow for time-critical disaster scenarios. To overcome this limitation, this work proposes a novel centralized cooperation model in which PNE acts as orchestrator, without needing feedback from entities. PNE runs a multi-objective Mixed Integer Linear Programming (MILP) optimization model to maximize maximize restoration of cloud services requested by DCPs, based on resource availability of the carriers. The model is designed to minimize restoration time and cost while prioritizing critical connections. Evaluation across various disaster scenarios shows that centralized-MILP approach enhances cloud-service restoration compared to heuristic strategies. The model achieves 100% service restoration, compared to an average of about ~85% with the baseline. It also restores a median of ~1.6 high-priority connections more and satisfies a median of ~250 Gbps more bandwidth requirements than the baseline. This framework accelerates disaster recovery by eliminating the bottleneck of iterative feedback process, demonstrating the benefits of a global, centralized optimization model.

Con l'evoluzione delle reti cloud per supportare le tecnologie 5G e del futuro 6G, le infrastrutture dorsali (backbone) delle telecomunicazioni stanno assumendo un ruolo cruciale, richiedendo stringenti livelli di affidabilità e un'ampia connettività. Tali esigenze derivano dalle moderne applicazioni di rete fornite dai Cloud Datacenter Providers (DCPs) e ospitate sulle risorse dei gestori di rete (carriers). Tuttavia, in caso di disastri, come eventi sismici, la conseguente rottura dei collegamenti in fibra ottica causa un significativo periodo di inattività nella distribuzione dei servizi.In tali contesti, la cooperazione tra gestori di rete e DCP è essenziale per garantire un ripristino rapido ed efficiente dei servizi, ma è spesso ostacolata da vincoli di risorse e riservatezza dei dati. Le soluzioni proposte in letteratura hanno introdotto il concetto di un'entità neutrale, il Provider Neutral Exchange (PNE), per mediare un processo basato sul feedback tra DCP e gestori. D'altronde, tale ciclo di feedback reiterativo può risultare troppo lento per scenari di emergenza critici in cui il tempo è un fattore determinante. Per risolvere questa limitazione, il presente lavoro propone un nuovo modello di cooperazione centralizzato, in cui il PNE agisce come orchestratore, senza la necessità di un riscontro continuo da parte delle entità coinvolte. Il PNE esegue un modello di ottimizzazione multi-obiettivo di Programmazione Lineare Mista (MILP) finalizzato a ripristinare i servizi cloud dei DCP, minimizzando tempi, costi e dando al contempo priorità alle connessioni critiche. La valutazione condotta su diversi scenari di catastrofe mostra come l'approccio MILP-centralizzato, migliora il ripristino della distribuzione dei servizi cloud rispetto alle strategie euristiche. Il modello ripristina il 100% dei servizi, a fronte dell'~85% in media ottenuto con l'euristica. Inoltre, l'approccio consente di ristabilire una mediana di ~1,6 connessioni ad alta priorità aggiuntive, offrendo una capacità di banda superiore rispetto all'euristica. I risultati evidenziano come l'eliminazione del collo di bottiglia del feedback reiterativo permetta un recupero più rapido, robusto ed efficente nei costi, dimostrando i benefici dell'utilizzo di un modello di ottimizzazione globale e centralizzato.