All-Optical Label Stacking: Easing the Trade-offs Between Routing and Architecture Cost in All-Optical Packet Switching

All-optical label swapping (AOLS) forms a key technology towards the implementation of all-optical packet switching nodes (AOPS) for the future optical Internet. The capital expenditures of the deployment of AOLS increases with the size of the label spaces (i.e. the number of used labels), since a special optical device is needed for each recognized label on every node. Label space sizes are affected by the way in which demands are routed. For instance, while shortest-path routing leads to the usage of fewer labels but high link utilization, minimum interference routing leads to the opposite. This paper studies all-optical label stacking (AOLStack), which is an extension of the AOLS architecture. AOLStack aims at reducing label spaces while easing the compromise with link utilization. In this paper, an integer lineal program is proposed with the objective of analyzing the softening of the aforementioned trade-off due to AOLStack. Furthermore, a heuristic aiming at finding good solutions in polynomial-time is proposed as well. Simulation results show that AOLStack either a) reduces the label spaces with a low increase in the link utilization or, similarly, b) uses better the residual bandwidth to decrease the number of labels even more

Entorn de simulació per a xarxes òptiques de transport

Aquest projecte final de carrera pretén investigar i experimentar una nova línia de desenvolupament d’algorismes dinàmics. A partir de l’algorisme AntNet-QoS [2] s’ incorporen noves mesures a l’algorisme (mesura de l’amplada de banda disponible i jitter), les quals combinant amb la mesura de retard ja feta servir, permet adaptar-se millor a les condicions actuals del trànsit en la xarxa i als requeriments específics de qualitat (QoS) per part del trànsit

Evaluating the probability and the impact of a failure in GMPLS based networks

In this paper, we define a new scheme to develop and evaluate protection strategies for building reliable GMPLS networks. This is based on what we have called the network protection degree (NPD). The NPD consists of an a priori evaluation, the failure sensibility degree (FSD), which provides the failure probability, and an a posteriori evaluation, the failure impact degree (FID), which determines the impact on the network in case of failure, in terms of packet loss and recovery time. Having mathematical formulated these components, experimental results demonstrate the benefits of the utilization of the NPD, when used to enhance some current QoS routing algorithms in order to offer a certain degree of protection

Minimum interference routing with fast protection

One of the most effective techniques offering QoS routing is minimum interference routing. However, it is complex in terms of computation time and is not oriented toward improving the network protection level. In order to include better levels of protection, new minimum interference routing algorithms are necessary. Minimizing the failure recovery time is also a complex process involving different failure recovery phases. Some of these phases depend completely on correct routing selection, such as minimizing the failure notification time. The level of protection also involves other aspects, such as the amount of resources used. In this case shared backup techniques should be considered. Therefore, minimum interference techniques should also be modified in order to include sharing resources for protection in their objectives. These aspects are reviewed and analyzed in this article, and a new proposal combining minimum interference with fast protection using shared segment backups is introduced. Results show that our proposed method improves both minimization of the request rejection ratio and the percentage of bandwidth allocated to backup paths in networks with low and medium protection requirements

Improving Label Space Usage for Ethernet Label Switched Paths

Ethernet is becoming the dominant aggregation technology for carrier transport networks; however, as it is a LAN technology, native bridged ethernet does not fulfill all the carrier requirements. One of the schemes proposed by the research community to make ethernet fulfill carrier requirements is ethernet VLAN-label switching (ELS). ELS allows the creation of label switched data paths using a 12-bit label encoded in the VLAN TAG control information field. Previous label switching technologies such as MPLS use more bits for encoding the label. Hence, they do not suffer from label sparsity issues as ELS might. This paper studies the sparsity issues resulting from the reduced ELS VLAN-label space and proposes the use of the label merging technique to improve label space usage. Experimental results show that label merging considerably improves label space usage

QoS online routing and MPLS multilevel protection: a survey

A survey of MPLS protection methods and their utilization in combination with online routing methods is presented in this article. Usually, fault management methods pre-establish backup paths to recover traffic after a failure. In addition, MPLS allows the creation of different backup types, and hence MPLS is a suitable method to support traffic-engineered networks. In this article, an introduction of several label switch path backup types and their pros and cons are pointed out. The creation of an LSP involves a routing phase, which should include QoS aspects. In a similar way, to achieve a reliable network the LSP backups must also be routed by a QoS routing method. When LSP creation requests arrive one by one (a dynamic network scenario), online routing methods are applied. The relationship between MPLS fault management and QoS online routing methods is unavoidable, in particular during the creation of LSP backups. Both aspects are discussed in this article. Several ideas on how these actual technologies could be applied together are presented and compared

Adding QoS protection in order to enhance MPLS QoS routing

In this paper, a method for enhancing current QoS routing methods by means of QoS protection is presented. In an MPLS network, the segments (links) to be protected are predefined and an LSP request involves, apart from establishing a working path, creating a specific type of backup path (local, reverse or global). Different QoS parameters, such as network load balancing, resource optimization and minimization of LSP request rejection should be considered. QoS protection is defined as a function of QoS parameters, such as packet loss, restoration time, and resource optimization. A framework to add QoS protection to many of the current QoS routing algorithms is introduced. A backup decision module to select the most suitable protection method is formulated and different case studies are analyzed

Multicast algorithms evaluation using an adaptative routing in ATM networks

This paper proposes a multicast implementation based on adaptive routing with anticipated calculation. Three different cost measures for a point-to-multipoint connection: bandwidth cost, connection establishment cost and switching cost can be considered. The application of the method based on pre-evaluated routing tables makes possible the reduction of bandwidth cost and connection establishment cost individually

Full label space reduction in MPLS networks: asymmetric merged tunneling

Traffic Engineering objective is to optimize network resource utilization. Although several works have been published about minimizing network resource utilization in MPLS networks, few of them have been focused in LSR label space reduction. This letter studies Asymmetric Merged Tunneling (AMT) as a new method for reducing the label space in MPLS network. The proposed method may be regarded as a combination of label merging (proposed in the MPLS architecture) and asymmetric tunneling (proposed recently in our previous works). Finally, simulation results are performed by comparing AMT with both ancestors. They show a great improvement in the label space reduction factor

Estimation of the probability of congestion using Monte Carlo method in OPS networks

In networks with small buffers, such as optical packet switching based networks, the convolution approach is presented as one of the most accurate method used for the connection admission control. Admission control and resource management have been addressed in other works oriented to bursty traffic and ATM. This paper focuses on heterogeneous traffic in OPS based networks. Using heterogeneous traffic and bufferless networks the enhanced convolution approach is a good solution. However, both methods (CA and ECA) present a high computational cost for high number of connections. Two new mechanisms (UMCA and ISCA) based on Monte Carlo method are proposed to overcome this drawback. Simulation results show that our proposals achieve lower computational cost compared to enhanced convolution approach with an small stochastic error in the probability estimation

A new all-round density functional based on spin states and SN2 barriers

We report here a new empirical density functional that is constructed based on the performance of OPBE and PBE for spin states and SN 2 reaction barriers and how these are affected by different regions of the reduced gradient expansion. In a previous study [Swart, Sol̀, and Bickelhaupt, J. Comput. Methods Sci. Eng. 9, 69 (2009)] we already reported how, by switching between OPBE and PBE, one could obtain both the good performance of OPBE for spin states and reaction barriers and that of PBE for weak interactions within one and the same (SSB-sw) functional. Here we fine tuned this functional and include a portion of the KT functional and Grimme's dispersion correction to account for π- π stacking. Our new SSB-D functional is found to be a clear improvement and functions very well for biological applications (hydrogen bonding, π -π stacking, spin-state splittings, accuracy of geometries, reaction barriers)

Label space reduction in GMPLs and All-Optical Label Swapping networks

All-Optical Label Swapping (AOLS) es una tecnología clave para la implementación de nodos de conmutación completamente óptica de paquetes. Sin embargo, el costo de su desarrollo es proporcional al tamaño del espacio de etiquetas (label space). Debido a que los principios de funcionamiento de AOLS son casos particulares de los del MultiProtocol Label Switching (MPLS), esta tesis estudia métodos generales, aplicables a ambos, con el propósito de reducir el espacio de etiquetas tanto como sea posible. Modelos de programación lineal entera y heurísticas son propuestos para el caso en el que se permite apilar una etiqueta extra. Encontramos que cerca del 50% del espacio de etiquetas puede ser reducido, si se permite colocar una etiqueta extra en la pila. Además, particularmente para AOLS, encontramos que se puede reducir el espacio de etiquetas cerca al 25% si se duplica la capacidad de los enlaces y se permite re-encaminar el tráfico.

Multi-layer survivability: routing schemes for GMPLS-based networks

En les xarxes IP/MPLS sobre WDM on es transporta gran quantitat d'informacio, la capacitat de garantir que el trafic arriba al node de desti ha esdevingut un problema important, ja que la fallada d'un element de la xarxa pot resultar en una gran quantitat d'informacio perduda. Per garantir que el trafic afectat per una fallada arribi al node desti, s'han definit nous algoritmes d'encaminament que incorporen el coneixement de la proteccio en els dues capes: l'optica (WDM) i la basada en paquets (IP/MPLS). D'aquesta manera s'evita reservar recursos per protegir el trafic a les dues capes. Els nous algoritmes resulten en millor us dels recursos de la xarxa, ofereixen rapid temps de recuperacio, eviten la duplicacio de recursos i disminueixen el numero de conversions del trafic de senyal optica a electrica.

Dynamic management and restoration of virtual paths in broadband networks based on distributed software agents

La gestió de xarxes és un camp molt ampli i inclou molts aspectes diferents. Aquesta tesi doctoral està centrada en la gestió dels recursos en les xarxes de banda ampla que disposin de mecanismes per fer reserves de recursos, com per exemple Asynchronous Transfer Mode (ATM) o Multi-Protocol Label Switching (MPLS). Es poden establir xarxes lògiques utilitzant els Virtual Paths (VP) d'ATM o els Label Switched Paths (LSP) de MPLS, als que anomenem genèricament camins lògics. Els usuaris de la xarxa utilitzen doncs aquests camins lògics, que poden tenir recursos assignats, per establir les seves comunicacions. A més, els camins lògics són molt flexibles i les seves característiques es poden canviar dinàmicament. Aquest treball, se centra, en particular, en la gestió dinàmica d'aquesta xarxa lògica per tal de maximitzar-ne el rendiment i adaptar-la a les connexions ofertes. En aquest escenari, hi ha diversos mecanismes que poden afectar i modificar les característiques dels camins lògics (ample de banda, ruta, etc.). Aquests mecanismes inclouen els de balanceig de la càrrega (reassignació d'ample de banda i reencaminament) i els de restauració de fallades (ús de camins lògics de backup). Aquests dos mecanismes poden modificar la xarxa lògica i gestionar els recursos (ample de banda) dels enllaços físics. Per tant, existeix la necessitat de coordinar aquests mecanismes per evitar possibles interferències. La gestió de recursos convencional que fa ús de la xarxa lògica, recalcula periòdicament (per exemple cada hora o cada dia) tota la xarxa lògica d'una forma centralitzada. Això introdueix el problema que els reajustaments de la xarxa lògica no es realitzen en el moment en què realment hi ha problemes. D'altra banda també introdueix la necessitat de mantenir una visió centralitzada de tota la xarxa. En aquesta tesi, es proposa una arquitectura distribuïda basada en un sistema multi agent. L'objectiu principal d'aquesta arquitectura és realitzar de forma conjunta i coordinada la gestió de recursos a nivell de xarxa lògica, integrant els mecanismes de reajustament d'ample de banda amb els mecanismes de restauració preplanejada, inclosa la gestió de l'ample de banda reservada per a la restauració. Es proposa que aquesta gestió es porti a terme d'una forma contínua, no periòdica, actuant quan es detecta el problema (quan un camí lògic està congestionat, o sigui, quan està rebutjant peticions de connexió dels usuaris perquè està saturat) i d'una forma completament distribuïda, o sigui, sense mantenir una visió global de la xarxa. Així doncs, l'arquitectura proposada realitza petits rearranjaments a la xarxa lògica adaptant-la d'una forma contínua a la demanda dels usuaris. L'arquitectura proposada també té en consideració altres objectius com l'escalabilitat, la modularitat, la robustesa, la flexibilitat i la simplicitat. El sistema multi agent proposat està estructurat en dues capes d'agents: els agents de monitorització (M) i els de rendiment (P). Aquests agents estan situats en els diferents nodes de la xarxa: hi ha un agent P i diversos agents M a cada node; aquests últims subordinats als P. Per tant l'arquitectura proposada es pot veure com una jerarquia d'agents. Cada agent és responsable de monitoritzar i controlar els recursos als que està assignat. S'han realitzat diferents experiments utilitzant un simulador distribuït a nivell de connexió proposat per nosaltres mateixos. Els resultats mostren que l'arquitectura proposada és capaç de realitzar les tasques assignades de detecció de la congestió, reassignació dinàmica d'ample de banda i reencaminament d'una forma coordinada amb els mecanismes de restauració preplanejada i gestió de l'ample de banda reservat per la restauració. L'arquitectura distribuïda ofereix una escalabilitat i robustesa acceptables gràcies a la seva flexibilitat i modularitat.

Enhanced fault recovery methods for protected traffic services in GMPLS networks

Les noves tecnologies a la xarxa ens permeten transportar, cada cop més, grans volums d' informació i trànsit de xarxa amb diferents nivells de prioritat. En aquest escenari, on s'ofereix una millor qualitat de servei, les conseqüències d'una fallada en un enllaç o en un node esdevenen més importants. Multiprotocol Lavel Switching (MPLS), juntament amb l'extensió a MPLS generalitzat (GMPLS), proporcionen mecanismes ràpids de recuperació de fallada establint camins, Label Switch Path (LSPs), redundants per ser utilitzats com a camins alternatius. En cas de fallada podrem utilitzar aquests camins per redireccionar el trànsit. El principal objectiu d'aquesta tesi ha estat millorar alguns dels actuals mecanismes de recuperació de fallades MPLS/GMPLS, amb l'objectiu de suportar els requeriments de protecció dels serveis proporcionats per la nova Internet. Per tal de fer aquesta avaluació s'han tingut en compte alguns paràmetres de qualitat de protecció com els temps de recuperació de fallada, les pèrdues de paquets o el consum de recursos. En aquesta tesi presentem una completa revisió i comparació dels principals mètodes de recuperació de fallada basats en MPLS. Aquest anàlisi inclou els mètodes de protecció del camí (backups globals, backups inversos i protecció 1+1), els mètodes de protecció locals i els mètodes de protecció de segments. També s'ha tingut en compte l'extensió d'aquests mecanismes a les xarxes òptiques mitjançant el pla de control proporcionat per GMPLS. En una primera fase d'aquest treball, cada mètode de recuperació de fallades és analitzat sense tenir en compte restriccions de recursos o de topologia. Aquest anàlisi ens dóna una primera classificació dels millors mecanismes de protecció en termes de pèrdues de paquets i temps de recuperació. Aquest primer anàlisi no és aplicable a xarxes reals. Per tal de tenir en compte aquest nou escenari, en una segona fase, s'analitzen els algorismes d'encaminament on sí tindrem en compte aquestes limitacions i restriccions de la xarxa. Es presenten alguns dels principals algorismes d'encaminament amb qualitat de servei i alguna de les principals propostes d'encaminament per xarxes MPLS. La majoria dels actual algorismes d'encaminament no tenen en compte l'establiment de rutes alternatives o utilitzen els mateixos objectius per seleccionar els camins de treball i els de protecció. Per millorar el nivell de protecció introduïm i formalitzem dos nous conceptes: la Probabilitat de fallada de la xarxa i l'Impacte de fallada. Un anàlisi de la xarxa a nivell físic proporciona un primer element per avaluar el nivell de protecció en termes de fiabilitat i disponibilitat de la xarxa. Formalitzem l'impacte d'una fallada, quant a la degradació de la qualitat de servei (en termes de retard i pèrdues de paquets). Expliquem la nostra proposta per reduir la probabilitat de fallada i l'impacte de fallada. Per últim fem una nova definició i classificació dels serveis de xarxa segons els valors requerits de probabilitat de fallada i impacte. Un dels aspectes que destaquem dels resultats d'aquesta tesi és que els mecanismes de protecció global del camí maximitzen la fiabilitat de la xarxa, mentre que les tècniques de protecció local o de segments de xarxa minimitzen l'impacte de fallada. Per tant podem assolir mínim impacte i màxima fiabilitat aplicant protecció local a tota la xarxa, però no és una proposta escalable en termes de consum de recursos. Nosaltres proposem un mecanisme intermig, aplicant protecció de segments combinat amb el nostre model d'avaluació de la probabilitat de fallada. Resumint, aquesta tesi presenta diversos mecanismes per l'anàlisi del nivell de protecció de la xarxa. Els resultats dels models i mecanismes proposats milloren la fiabilitat i minimitzen l'impacte d'una fallada en la xarxa.