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

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.

Multi-objective optimization scheme for static and dynamic multicast flows

Muchas de las nuevas aplicaciones emergentes de Internet tales como TV sobre Internet, Radio sobre Internet,Video Streamming multi-punto, entre otras, necesitan los siguientes requerimientos de recursos: ancho de banda consumido, retardo extremo-a-extremo, tasa de paquetes perdidos, etc. Por lo anterior, es necesario formular una propuesta que especifique y provea para este tipo de aplicaciones los recursos necesarios para su buen funcionamiento. En esta tesis, proponemos un esquema de ingeniería de tráfico multi-objetivo a través del uso de diferentes árboles de distribución para muchos flujos multicast. En este caso, estamos usando la aproximación de múltiples caminos para cada nodo egreso y de esta forma obtener la aproximación de múltiples árboles y a través de esta forma crear diferentes árboles multicast. Sin embargo, nuestra propuesta resuelve la fracción de la división del tráfico a través de múltiples árboles. La propuesta puede ser aplicada en redes MPLS estableciendo rutas explícitas en eventos multicast. En primera instancia, el objetivo es combinar los siguientes objetivos ponderados dentro de una métrica agregada: máxima utilización de los enlaces, cantidad de saltos, el ancho de banda total consumido y el retardo total extremo-a-extremo. Nosotros hemos formulado esta función multi-objetivo (modelo MHDB-S) y los resultados obtenidos muestran que varios objetivos ponderados son reducidos y la máxima utilización de los enlaces es minimizada. El problema es NP-duro, por lo tanto, un algoritmo es propuesto para optimizar los diferentes objetivos. El comportamiento que obtuvimos usando este algoritmo es similar al que obtuvimos con el modelo. Normalmente, durante la transmisión multicast los nodos egresos pueden salir o entrar del árbol y por esta razón en esta tesis proponemos un esquema de ingeniería de tráfico multi-objetivo usando diferentes árboles para grupos multicast dinámicos. (en el cual los nodos egresos pueden cambiar durante el tiempo de vida de la conexión). Si un árbol multicast es recomputado desde el principio, esto podría consumir un tiempo considerable de CPU y además todas las comuicaciones que están usando el árbol multicast serán temporalmente interrumpida. Para aliviar estos inconvenientes, proponemos un modelo de optimización (modelo dinámico MHDB-D) que utilice los árboles multicast previamente computados (modelo estático MHDB-S) adicionando nuevos nodos egreso. Usando el método de la suma ponderada para resolver el modelo analítico, no necesariamente es correcto, porque es posible tener un espacio de solución no convexo y por esta razón algunas soluciones pueden no ser encontradas. Adicionalmente, otros tipos de objetivos fueron encontrados en diferentes trabajos de investigación. Por las razones mencionadas anteriormente, un nuevo modelo llamado GMM es propuesto y para dar solución a este problema un nuevo algoritmo usando Algoritmos Evolutivos Multi-Objetivos es propuesto. Este algoritmo esta inspirado por el algoritmo Strength Pareto Evolutionary Algorithm (SPEA). Para dar una solución al caso dinámico con este modelo generalizado, nosotros hemos propuesto un nuevo modelo dinámico y una solución computacional usando Breadth First Search (BFS) probabilístico. Finalmente, para evaluar nuestro esquema de optimización propuesto, ejecutamos diferentes pruebas y simulaciones. Las principales contribuciones de esta tesis son la taxonomía, los modelos de optimización multi-objetivo para los casos estático y dinámico en transmisiones multicast (MHDB-S y MHDB-D), los algoritmos para dar solución computacional a los modelos. Finalmente, los modelos generalizados también para los casos estático y dinámico (GMM y GMM Dinámico) y las propuestas computacionales para dar slución usando MOEA y BFS probabilístico.

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

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

Carrier Ethernet "label" scalability

A collection of slides from the authorpsilas seminar presentation is given

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

Asymmetric tunnels in P2MP LSPs as a label space reduction method

The objective of traffic engineering is to optimize network resource utilization. Although several works have been published about minimizing network resource utilization, few works have focused on LSR (label switched router) label space. This paper proposes an algorithm that takes advantage of the MPLS label stack features in order to reduce the number of labels used in LSPs. Some tunnelling methods and their MPLS implementation drawbacks are also discussed. The described algorithm sets up NHLFE (next hop label forwarding entry) tables in each LSR, creating asymmetric tunnels when possible. Experimental results show that the described algorithm achieves a great reduction factor in the label space. The presented works apply for both types of connections: P2MP (point-to-multipoint) and P2P (point-to-point)

A Label space reduction algorithm for P2MP LSPs using asymmetric tunnels

The aim of traffic engineering is to optimise network resource utilization. Although several works on minimizing network resource utilization have been published, few works have focused on LSR label space. This paper proposes an algorithm that uses MPLS label stack features in order to reduce the number of labels used in LSPs forwarding. Some tunnelling methods and their MPLS implementation drawbacks are also discussed. The algorithm described sets up the NHLFE tables in each LSR, creating asymmetric tunnels when possible. Experimental results show that the algorithm achieves a large reduction factor in the label space. The work presented here applies for both types of connections: P2MP and P2P

On optimal computation of MPLS label binding for multipoint-to-point connections

Most network operators have considered reducing Label Switched Routers (LSR) label spaces (i.e. the number of labels that can be used) as a means of simplifying management of underlaying Virtual Private Networks (VPNs) and, hence, reducing operational expenditure (OPEX). This letter discusses the problem of reducing the label spaces in Multiprotocol Label Switched (MPLS) networks using label merging - better known as MultiPoint-to-Point (MP2P) connections. Because of its origins in IP, MP2P connections have been considered to have tree- shapes with Label Switched Paths (LSP) as branches. Due to this fact, previous works by many authors affirm that the problem of minimizing the label space using MP2P in MPLS - the Merging Problem - cannot be solved optimally with a polynomial algorithm (NP-complete), since it involves a hard- decision problem. However, in this letter, the Merging Problem is analyzed, from the perspective of MPLS, and it is deduced that tree-shapes in MP2P connections are irrelevant. By overriding this tree-shape consideration, it is possible to perform label merging in polynomial time. Based on how MPLS signaling works, this letter proposes an algorithm to compute the minimum number of labels using label merging: the Full Label Merging algorithm. As conclusion, we reclassify the Merging Problem as Polynomial-solvable, instead of NP-complete. In addition, simulation experiments confirm that without the tree-branch selection problem, more labels can be reduced

Label Space Reduction in MPLS Networks: How Much Can A Single Stacked Label Do?

Most network operators have considered reducing LSR label spaces (number of labels used) as a way of simplifying management of underlaying virtual private networks (VPNs) and therefore reducing operational expenditure (OPEX). The IETF outlined the label merging feature in MPLS-allowing the configuration of multipoint-to-point connections (MP2P)-as a means of reducing label space in LSRs. We found two main drawbacks in this label space reduction a)it should be separately applied to a set of LSPs with the same egress LSR-which decreases the options for better reductions, and b)LSRs close to the edge of the network experience a greater label space reduction than those close to the core. The later implies that MP2P connections reduce the number of labels asymmetrically

Lightweight monitoring of label switched paths for bandwidth management

The purpose of resource management is the efficient and effective use of network resources, for instance bandwidth. In this article, a connection oriented network scenario is considered, where a certain amount of bandwidth is reserved for each label switch path (LSP), which is a logical path, in a MPLS or GMPLS environment. Assuming there is also some kind of admission control (explicit or implicit), these environments typically provide quality of service (QoS) guarantees. It could happen that some LSPs become busy, thus rejecting connections, while other LSPs may be under-utilised. We propose a distributed lightweight monitoring technique, based on threshold values, the objective of which is to detect congestion when it occurs in an LSP and activate the corresponding alarm which will trigger a dynamic bandwidth reallocation mechanism