Energy saving photonic switching and networking

Traffic in telecommunication networks is estimated to substantially grow in the near future. As the Information and Communication Technology (ICT) sector already consumes a relevant portion of the global world electricity, one of the most challenging issues will be the reduction of its power requirement. The core/transport section of telecommunication networks is the main target of this dissertation. We will focus on multilayer architectures composed by an optical Wavelength Division Multiplexing (WDM) transport layer providing connectivity support to the classical electronic Internet Protocol (IP) layer. Such network structure is commonly identified as an IP-over-WDM network. Several strategies can be adopted to reduce the energy consumption of transport networks. The adoption of optical switching technologies can enable substantial power savings, mainly due to the significant reduction in the number of used optoelectronic interfaces and the amount of electronic traffic processing, and thanks to the low-power consumed by photonic devices. In this thesis several aspects of energy-efficient networking are investigated. Specifically, we first evaluate the network energy consumption performing a comprehensive comparison between different flavours of IP-over-WDM architectures. Such architectures mainly differ from the way they perform signal switching, i.e., either in the electronic (e.g., through IP routers or Digital Cross Connects) or in the optical (via opaque or transparent optical switching matrices) domain. Fault-tolerance is another aspect studied in this thesis, from the power consumption point of view. We highlight the impact of providing resiliency on the overall network power consumption, considering that protection resources can be set into low-power sleep mode and comparing different protection scenarios, namely, dedicated vs shared and link vs path protection strategies. Then, a recently proposed switching technique, the Time-Driven Switching (TDS) is also studied from the power consumption perspective. The TDS paradigm is a promising energy-efficient solution since it allows to perform traffic grooming of “fractions” of wavelengths directly in the optical domain, thanks to the time-coordination of network elements, with no need for optical-electronic signal conversions, so that the consumption due to many optoelectronic interfaces can be saved. Finally, the potential energy savings of a management protocol for switching on and off optoelectronic interfaces in the network is analytically modelled using a probabilistic approach based on Markov chains, under the assumption that some devices are reserved for high-priority traffic and are set into low-power sleep-mode, whereas the other unused devices are fully powered-off. We demonstrate that relevant power savings, up to 60%, can be obtained in comparison to traditional IP-over-WDM network architectures where signal switching and regeneration operations are always accomplished in the electronic IP domain. Moreover, up to 15-20% of power savings are also obtained for protected IP-over-WDM networks by setting protection resources into sleep mode. Finally, we show that exploiting an intelligent strategy for managing the activation of optoelectronic devices enables high power savings, around 75-80% compared to the cases where all devices are fully powered-on, with low impact on the overall network performance (i.e., Quality of Service).

Il flusso di dati trasportati dalle reti di telecomunicazione subirà una sostanziale crescita nel prossimo futuro. Poiché il settore dell’ Information and Communication Technology (ICT) occupa attualmente già una rilevante posizione nell’ambito del consumo globale di energia elettrica, uno degli aspetti fondamentali su cui porre l’attenzione nell’immediato è rappresentato dalla riduzione dei consumi energetici interessati in tale settore. La sezione di trasporto (core) delle reti di telecomunicazone, che si occupa del trasporto di grandi quantità di dati in aree geografiche estese (ad esempio su scala nazionale o continentale), è tipicamente strutturato in architetture multilivello in cui un livello di trasporto ottico, basato sulla tecnica del multiplexing a divisione di lunghezza d’onda (Wavelength Division Multiplexing, WDM), viene posto a supporto del tradizionale livello di interconnessione elettronica (Internet Protocol, IP). Tale configurazione di rete, nota come architettura IP-su-WDM (IP-over-WDM), rappresenta il principale punto di interesse analizzato in questa tesi. Il problema della riduzione del consumo energetico delle reti ottiche di trasporto può essere affrontato attraverso diverse strategie, che tipicamente sfruttano i vantaggi delle tecnologie ottiche. Esse sono in grado di fornire risparmi dal punto di vista del consumo energetico in quanto è possibile ridurre il numero di dispositivi optoelettronici e la quantità di operazioni di elaborazione elettronica dei segnali, che rappresentano un contributo dominante nel consumo energetico delle reti, fornendo al contempo prestazioni elevate dal punto di vista della capacità trasmissiva ottenuta grazie alla fibra ottica. In questo lavoro di tesi, sono studiati diversi aspetti riguardanti protocolli e strategie di interconnessione fra apparati di rete che tengano conto del problema del consumo energetico. In particolare, in questo lavoro viene valutato il consumo energetico di diversi scenari IP-su-WDM che differiscono tra loro principalmente per il modo in cui viene effettuata la commutazione dei segnali, ovvero nel dominio elettronico (ad esempio attraverso router IP o Digital Cross Connect) oppure nel dominio ottico (tramite matrici di commutazione ottica trasparenti o opache). Una ulteriore tematica analizzata in questo lavoro sotto l’aspetto del consumo energetico è la tolleranza ai guasti che possono verificarsi in una rete. Viene studiato l’impatto provocato sui consumi energetici quando si vuole fornire alla rete robustezza contro i guasti. In tale scenario, le risorse (dispositivi di rete) utilizzate per la protezione delle connessioni possono essere configurate in modalità stand-by a basso consumo energetico, in modo da avere un impatto contenuto sul totale consumo della rete. Diverse strategie di protezione (protezione di cammino o di link e protezione dedicata o condivisa) vengono messe a confronto dal punto di vista del consumo energetico. Inoltre, viene studiata dal punto di vista del consumo energetico anche una tecnica di commutazione recentemente proposta e nota con il nome di Time-Driven Switching (TDS). Tale scenario risulta essere una promettente alternativa dal punto di vista del consumo energetico, in quanto consente di effettuare aggregazione di flussi traffico con granularità inferiore ad una lunghezza d’onda direttamente nel dominio ottico, grazie alla sincronizzazione temporale dei dispositivi di rete, senza alcuna necessità di effettuare conversioni optoelettroniche dei segnali, evitando così i grandi dispendi energetici causati dall’utilizzo dispositivi elettro-ottici. Infine, viene proposto un protocollo di gestione delle interfacce optoelettroniche in uno scenario di rete in cui sono presenti diverse classi di servizio, caratterizzate da differenti requisiti di qualità del servizio. Viene stimato il potenziale risaprmio energetico che si ha in tale scenario, assumendo che alcuni dispositivi vengano riservati per essere utilizzati da connessioni ad alta priorità e configurati in modalità stand-by, così da poter essere attivati prontamente all’arrivo di una richiesta di connessione di tale tipo. Gli altri dispositivi non utilizzati, che possono essere attivati per servire connessioni a bassa priorità, vengono invece spenti in modo da avere un maggiore risparmio energetico. Si dimostrano sostanziali risparmi nel consumo energetico (fino al 60%) rispetto alle tradizionali architetture IP-su-WDM in cui le operazioni di commutazione del segnale e di aggregazione di traffico sono sempre svolte nel dominio elettronico IP. Inoltre, si mostra che si possono ottenere risparmi nell’ordine del 15-20% nel consumo energetico di reti IP-su-WDM protette, considerando che le risorse (dispositivi) utilizzati per la protezione vengono configurati in modalità stand-by a basso consumo energetico. Infine, si dimostra che l’utilizzo di una strategia intelligente per l’accensione e spegnimento delle interfacce optoelettroniche consente di risparmiare fino al 75-80% del consumo energetico rispetto al caso in cui tutti i dispositivi sono costantemente mantenuti attivi, senza gravare sulla qualità del servizio offerto agli utenti.