Architectures, methods and algorithms to control switching in optical networks

Internet traffic has been growing quickly for many years and it is expected to follow this trend in the future as well. The services offered by providers, and in particular Carrier Ethernet services, require not only a huge amount of bandwidth, but also a more flexible access to bandwidth that the traditional transport networks, based on circuit-switching, can hardly provide. An important question is whether the migration to packet switching is cost effective. In addition, network performance should be improved while energy consumption and network complexity should be reduced. This objective can be achieved by using optics instead of electronics in all the network elements, whenever possible. In this context, future interconnection subsystems for switches and routers must overcome the physical limitations of current electronic backplanes in order to achieve an aggregate bandwidth much greater than today’s. Furthermore, once the transport network is designed and the nodes are deployed, it is necessary to define a multi-domain end-to-end control structure that allows different technologies and domains to inter-work efficiently. Based on this rationale, the main goal of this thesis work is to investigate (i) planning methods to design a high-capacity Carrier Ethernet multi-layer transport network, (ii) Optical Interconnection (OI) architectures to improve the performance of the deployed nodes and (iii) architectures exploiting different algorithms to provide these nodes with end-to-end Quality of Service (QoS) capabilities. The first outcome of the thesis is to provide both a single layer and a multi layer design of a Carrier Ethernet based network. The proposed design solutions aim at minimizing the Capital Expenditure of the network. In the single layer design a set of fundamental parameters to evaluate the pros and cons of migrating from legacy circuit-switched technologies to innovative packet-switched ones are identified and presented. In the multi-layer design of a packet-switched CE network both the electronic and the physical layer impairments are jointly taken into account. Two different procedures are proposed to optimize the network resources deployment. As second outcome of the thesis three OI architectures are presented and analyzed. For each of the proposed architectures a preliminary study to assess the impact of the physical layer impairments on the fabrics is carried out. The performance of the investigated OI architectures is evaluated in terms of scalability (maximum achievable throughput) and in terms of power consumption. The first architecture is based on the Arrayed Waveguide Grating (AWG) devices. The design procedure of the devices and the evaluation of the crosstalk impairment are detailed. Moreover, two crosstalk reduction techniques are presented and their impact on the performance of the architecture is studied. The second proposed OI architecture is based on a structure composed by fixed Micro Ring Resonators (MRRs). The design of the structure components and the optimization of the MRRs parameters are presented. The third architecture is hybrid since its building blocks are both fixed and tunable MRRs. Finally, the third main contribution of the thesis is the definition of a control plane solution based on the cooperation between the Path Computation Element (PCE) architecture and the proposed Domain Sequence Protocol (DSP). Different schemes to provide QoS are presented and their effectiveness is evaluated by means of simulations.

Negli ultimi anni il traffico dati nelle reti di telecomunicazioni è cresciuto costantemente ed è ragionevole assumere che tale andamento sarà confermato anche in futuro. I servizi offerti dai gestori, ed in particolare i servizi di tipo Carrier Ethernet, richiedono non solo una enorme quantità di banda, ma anche un accesso flessibile alla gestione della stessa che le tradizionali reti di trasporto, basate sulla commutazione di circuito, non sono attualmente in grado di fornire. A tal proposito, un importante quesito è se la migrazione alle reti di trasporto a commutazione di pacchetto è conveniente, principalmente in termini di costo. Oltretutto, è necessario migliorare le prestazioni della rete riducendone, al tempo stesso, il consumo energetico e la complessità. Tali obiettivi possono essere raggiunti impiegando, ove consentito, dei dispositivi ottici in luogo di quelli elettronici. In tale contesto, i futuri sistemi di interconnessione per switch e router dovranno superare i limiti fisici degli attuali backplane realizzati in elettronica, con l’obiettivo di fornire una banda aggregata decisamente superiore a quella offerta sino ad oggi. Inoltre, una volta che la rete è stata pianificata e i nodi sono stati installati, è necessario definire una struttura di controllo che consenta a differenti tecnologie e domini di interoperare efficientemente nell’instradamento delle connessioni tra i nodi della rete. Sulla base di tali osservazioni, l’obiettivo principale di questo lavoro di tesi è quello di studiare (i) metodi di pianificazione per il design di una rete di trasporto multi-livello ad alta capacità di tipo Carrier Ethernet, (ii) architetture di interconnessione ottica per migliorare le prestazioni dei nodi installati e (iii) architetture che impieghino differenti algoritmi per dotare i nodi citati della capacità di fornire qualità di servizio nell’instradamento di connessioni nella rete multi-dominio. Il primo contributo di questa tesi è quello di presentare dei metodi di pianificazione di una rete Carrier Ethernet che agiscano sia su un singolo livello sia su più livelli di rete. Le soluzioni proposte minimizzano il cosiddetto Capital Expenditure. Per ciò che concerne la soluzione di pianificazione che opera su un singolo livello di rete è stato innanzitutto individuato un insieme di parametri fondamentali che permettano di valutare i vantaggi e gli svantaggi della migrazione dalle tradizionali tecnologie di trasporto a commutazione di circuito alle innovative tecnologie a commutazione di pacchetto. La soluzione multi-livello consente inoltre di pianificare la rete tenendo conto delle caratteristiche sia a livello elettronico sia a livello fisico della stessa. In questo caso sono state presentate due differenti procedure per ottimizzare l’utilizzo delle risorse di rete. Come secondo contributo sono state presentate ed analizzate tre architetture di interconnessione ottica valutate in termini di scalabilità (massima banda aggregata raggiungibile) e in termini di consumo di potenza. La prima architettura è basata sugli Arrayed Waveguide Grating (AWG). Vengono presentate in dettaglio la procedura di design di tali dispositivi e la valutazione delle perdite dovute al fenomeno del crosstalk. Sono state inoltre mostrate due tecniche per la riduzione degli effetti del crosttalk ed è stato discusso il loro impatto sulle prestazioni dell’architettura. La seconda archittettura proposta è basata su una struttura realizzata mediante Micro Ring Resonator (MRR) impiegati come dispositivi passivi. In questo caso sono state presentate la pianificazione dei componenti della struttura e la procedura per l’ottimizzazione dei parameti dei dispositivi impiegati. La terza architettura proposta è definita ibrida poichè impiega MRR operanti sia come componenti attivi sia come componenti passivi. Infine, il terzo contributo della tesi consiste nella definizione di una soluzione per il piano di controllo di rete basata sulla cooperazione tra l’architettura Path Computation Element (PCE) e il protocollo Domain Sequence Protocol (DSP), quest’ultimo introdotto per la prima volta in questa tesi. Sono stati presentati differenti schemi di instradamento per fornire qualità di servizio e la loro efficacia è stata valutata mediante delle simulazioni.