An Effective Path Protection Method to Attain the Route Stability in MANET

With the increasing popularity of wireless network and its application, mobile ad-hoc networks (MANETS) emerged recently. MANET topology is highly dynamic in nature and nodes are highly mobile so that the rate of link failure is more in MANET. There is no central control over the nodes and the control is distributed among nodes and they can act as either router or source. MANTEs have been considered as isolated stand-alone network. Node can add or remove at any time and it is not infrastructure dependent. So at any time at any where the network can setup and a trouble free communication is possible. Due to more chances of link failures, collisions and transmission errors in MANET, the maintenance of network became costly. As per the study more frequent link failures became an important aspect of diminishing the performance of the network and also it is not predictable. The main objective of this paper is to study the route instability in AODV protocol and suggest a solution for improvement. This paper proposes a new approach to reduce the route failure by storing the alternate route in the intermediate nodes. In this algorithm intermediate nodes are also involved in the route discovery process. This reduces the route establishment overhead as well as the time to find the reroute when a link failure occurs.

Survivable Lightpath Provisioning in WDM Mesh Networks Under Shared Path Protection and Signal Quality Constraints

This paper addresses the problem of survivable lightpath provisioning in wavelength-division-multiplexing (WDM) mesh networks, taking into consideration optical-layer protection and some realistic optical signal quality constraints. The investigated networks use sparsely placed optical–electrical–optical (O/E/O) modules for regeneration and wavelength conversion. Given a fixed network topology with a number of sparsely placed O/E/O modules and a set of connection requests, a pair of link-disjoint lightpaths is established for each connection. Due to physical impairments and wavelength continuity, both the working and protection lightpaths need to be regenerated at some intermediate nodes to overcome signal quality degradation and wavelength contention. In the present paper, resource-efficient provisioning solutions are achieved with the objective of maximizing resource sharing. The authors propose a resource-sharing scheme that supports three kinds of resource-sharing scenarios, including a conventional wavelength-link sharing scenario, which shares wavelength links between protection lightpaths, and two new scenarios, which share O/E/O modules between protection lightpaths and between working and protection lightpaths. An integer linear programming (ILP)-based solution approach is used to find optimal solutions. The authors also propose a local optimization heuristic approach and a tabu search heuristic approach to solve this problem for real-world, large mesh networks. Numerical results show that our solution approaches work well under a variety of network settings and achieves a high level of resource-sharing rates (over 60% for O/E/O modules and over 30% for wavelength links), which translate into great savings in network costs.

Survivable Traffic Grooming With Path Protection at the Connection Level in WDM Mesh Networks

Survivable traffic grooming (STG) is a promising approach to provide reliable and resource-efficient multigranularity connection services in wavelength-division-multiplexing (WDM) optical networks. In this paper, we study the STG problem in WDM mesh optical networks employing path protection at the connection level. Both dedicated-protection and shared-protection schemes are considered. Given network resources, the objective of the STG problem is to maximize network throughput. To enable survivability under various kinds of single failures, such as fiber cut and duct cut, we consider the general shared-risklink- group (SRLG) diverse routing constraints. We first resort to the integer-linear-programming (ILP) approach to obtain optimal solutions. To address its high computational complexity, we then propose three efficient heuristics, namely separated survivable grooming algorithm (SSGA), integrated survivable grooming algorithm (ISGA), and tabu-search survivable grooming algorithm (TSGA). While SSGA and ISGA correspond to an overlay network model and a peer network model, respectively, TSGA further improves the grooming results from SSGA and ISGA by incorporating the effective tabu-search (TS) method. Numerical results show that the heuristics achieve comparable solutions to the ILP approach, which uses significantly longer running times than the heuristics.

Survivable Waveband Switching in WDM Mesh Networks under Dedicated Path-Protection

This paper considers the problem of dedicated path-protection in wavelength-division multiplexed (WDM) mesh networks with waveband switching functionality under shared risk link group (SRLG) constraints. Two dedicated path protection schemes are proposed, namely the PBABL scheme and the MPABWL scheme. The PBABL scheme protects each working waveband-path through a backup waveband-path. The MPABWL scheme protects each working waveband-path by either a backup waveband-path or multiple backup lightpaths. Heuristic algorithms adopting random optimization technique are proposed for both the schemes. The performance of the two protection schemes is studied and compared. Simulation results show that both the heuristics can obtain optimum solutions and the MPABWL scheme leads to less switching and transmission costs than the PBABL scheme.

Survivable Traffic Grooming with Path Protection at the Connection Level in WDM Mesh Networks

Survivable traffic grooming (STG) is a promising approach to provide reliable and resource-efficient multigranularity connection services in wavelength division multiplexing (WDM) optical networks. In this paper, we study the STG problem in WDM mesh optical networks employing path protection at the connection level. Both dedicated protection and shared protection schemes are considered. Given the network resources, the objective of the STG problem is to maximize network throughput. To enable survivability under various kinds of single failures such as fiber cut and duct cut, we consider the general shared risk link group (SRLG) diverse routing constraints. We first resort to the integer linear programming (ILP) approach to obtain optimal solutions. To address its high computational complexity, we then propose three efficient heuristics, namely separated survivable grooming algorithm (SSGA), integrated survivable grooming algorithm (ISGA) and tabu search survivable grooming algorithm (TSGA). While SSGA and ISGA correspond to an overlay network model and a peer network model respectively, TSGA further improves the grooming results from SSGA and ISGA by incorporating the effective tabu search method. Numerical results show that the heuristics achieve comparable solutions to the ILP approach, which uses significantly longer running times than the heuristics.

A Load-Balancing Shared-Protection-Path Reconfiguration Approach in WDM Wavelength-Routed Networks

Wavelength-routed networks (WRN) are very promising candidates for next-generation Internet and telecommunication backbones. In such a network, optical-layer protection is of paramount importance due to the risk of losing large amounts of data under a failure. To protect the network against this risk, service providers usually provide a pair of risk-independent working and protection paths for each optical connection. However, the investment made for the optical-layer protection increases network cost. To reduce the capital expenditure, service providers need to efficiently utilize their network resources. Among all the existing approaches, shared-path protection has proven to be practical and cost-efficient [1]. In shared-path protection, several protection paths can share a wavelength on a fiber link if their working paths are risk-independent. In real-world networks, provisioning is usually implemented without the knowledge of future network resource utilization status. As the network changes with the addition and deletion of connections, the network utilization will become sub-optimal. Reconfiguration, which is referred to as the method of re-provisioning the existing connections, is an attractive solution to fill in the gap between the current network utilization and its optimal value [2]. In this paper, we propose a new shared-protection-path reconfiguration approach. Unlike some of previous reconfiguration approaches that alter the working paths, our approach only changes protection paths, and hence does not interfere with the ongoing services on the working paths, and is therefore risk-free. Previous studies have verified the benefits arising from the reconfiguration of existing connections [2] [3] [4]. Most of them are aimed at minimizing the total used wavelength-links or ports. However, this objective does not directly relate to cost saving because minimizing the total network resource consumption does not necessarily maximize the capability of accommodating future connections. As a result, service providers may still need to pay for early network upgrades. Alternatively, our proposed shared-protection-path reconfiguration approach is based on a load-balancing objective, which minimizes the network load distribution vector (LDV, see Section 2). This new objective is designed to postpone network upgrades, thus bringing extra cost savings to service providers. In other words, by using the new objective, service providers can establish as many connections as possible before network upgrades, resulting in increased revenue. We develop a heuristic load-balancing (LB) reconfiguration approach based on this new objective and compare its performance with an approach previously introduced in [2] and [4], whose objective is minimizing the total network resource consumption.

Domain/Multi-Domain Protection and Provisioning in Optical Networks

L’évolution récente des commutateurs de sélection de longueurs d’onde (WSS -Wavelength Selective Switch) favorise le développement du multiplexeur optique d’insertionextraction reconfigurable (ROADM - Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers) à plusieurs degrés sans orientation ni coloration, considéré comme un équipement fort prometteur pour les réseaux maillés du futur relativement au multiplexage en longueur d’onde (WDM -Wavelength Division Multiplexing ). Cependant, leur propriété de commutation asymétrique complique la question de l’acheminement et de l’attribution des longueur d’ondes (RWA - Routing andWavelength Assignment). Or la plupart des algorithmes de RWA existants ne tiennent pas compte de cette propriété d’asymétrie. L’interruption des services causée par des défauts d’équipements sur les chemins optiques (résultat provenant de la résolution du problème RWA) a pour conséquence la perte d’une grande quantité de données. Les recherches deviennent ainsi incontournables afin d’assurer la survie fonctionnelle des réseaux optiques, à savoir, le maintien des services, en particulier en cas de pannes d’équipement. La plupart des publications antérieures portaient particulièrement sur l’utilisation d’un système de protection permettant de garantir le reroutage du trafic en cas d’un défaut d’un lien. Cependant, la conception de la protection contre le défaut d’un lien ne s’avère pas toujours suffisante en termes de survie des réseaux WDM à partir de nombreux cas des autres types de pannes devenant courant de nos jours, tels que les bris d’équipements, les pannes de deux ou trois liens, etc. En outre, il y a des défis considérables pour protéger les grands réseaux optiques multidomaines composés de réseaux associés à un domaine simple, interconnectés par des liens interdomaines, où les détails topologiques internes d’un domaine ne sont généralement pas partagés à l’extérieur. La présente thèse a pour objectif de proposer des modèles d’optimisation de grande taille et des solutions aux problèmes mentionnés ci-dessus. Ces modèles-ci permettent de générer des solutions optimales ou quasi-optimales avec des écarts d’optimalité mathématiquement prouvée. Pour ce faire, nous avons recours à la technique de génération de colonnes afin de résoudre les problèmes inhérents à la programmation linéaire de grande envergure. Concernant la question de l’approvisionnement dans les réseaux optiques, nous proposons un nouveau modèle de programmation linéaire en nombres entiers (ILP - Integer Linear Programming) au problème RWA afin de maximiser le nombre de requêtes acceptées (GoS - Grade of Service). Le modèle résultant constitue celui de l’optimisation d’un ILP de grande taille, ce qui permet d’obtenir la solution exacte des instances RWA assez grandes, en supposant que tous les noeuds soient asymétriques et accompagnés d’une matrice de connectivité de commutation donnée. Ensuite, nous modifions le modèle et proposons une solution au problème RWA afin de trouver la meilleure matrice de commutation pour un nombre donné de ports et de connexions de commutation, tout en satisfaisant/maximisant la qualité d’écoulement du trafic GoS. Relativement à la protection des réseaux d’un domaine simple, nous proposons des solutions favorisant la protection contre les pannes multiples. En effet, nous développons la protection d’un réseau d’un domaine simple contre des pannes multiples, en utilisant les p-cycles de protection avec un chemin indépendant des pannes (FIPP - Failure Independent Path Protecting) et de la protection avec un chemin dépendant des pannes (FDPP - Failure Dependent Path-Protecting). Nous proposons ensuite une nouvelle formulation en termes de modèles de flots pour les p-cycles FDPP soumis à des pannes multiples. Le nouveau modèle soulève un problème de taille, qui a un nombre exponentiel de contraintes en raison de certaines contraintes d’élimination de sous-tour. Par conséquent, afin de résoudre efficacement ce problème, on examine : (i) une décomposition hiérarchique du problème auxiliaire dans le modèle de décomposition, (ii) des heuristiques pour gérer efficacement le grand nombre de contraintes. À propos de la protection dans les réseaux multidomaines, nous proposons des systèmes de protection contre les pannes d’un lien. Tout d’abord, un modèle d’optimisation est proposé pour un système de protection centralisée, en supposant que la gestion du réseau soit au courant de tous les détails des topologies physiques des domaines. Nous proposons ensuite un modèle distribué de l’optimisation de la protection dans les réseaux optiques multidomaines, une formulation beaucoup plus réaliste car elle est basée sur l’hypothèse d’une gestion de réseau distribué. Ensuite, nous ajoutons une bande pasiv sante partagée afin de réduire le coût de la protection. Plus précisément, la bande passante de chaque lien intra-domaine est partagée entre les p-cycles FIPP et les p-cycles dans une première étude, puis entre les chemins pour lien/chemin de protection dans une deuxième étude. Enfin, nous recommandons des stratégies parallèles aux solutions de grands réseaux optiques multidomaines. Les résultats de l’étude permettent d’élaborer une conception efficace d’un système de protection pour un très large réseau multidomaine (45 domaines), le plus large examiné dans la littérature, avec un système à la fois centralisé et distribué.

Availability analysis of GMPLS connections based on physical network topology

This paper presents a study of connection availability in GMPLS over optical transport networks (OTN) taking into account different network topologies. Two basic path protection schemes are considered and compared with the no protection case. The selected topologies are heterogeneous in geographic coverage, network diameter, link lengths, and average node degree. Connection availability is also computed considering the reliability data of physical components and a well-known network availability model. Results show several correspondences between suitable path protection algorithms and several network topology characteristics

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.

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.

A load-balancing spare capacity reallocation approach in service-rich SONET metro mesh networks

The next-generation SONET metro network is evolving into a service-rich infrastructure. At the edge of such a network, multi-service provisioning platforms (MSPPs) provide efficient data mapping enabled by Generic Framing Procedure (GFP) and Virtual Concatenation (VC). The core of the network tends to be a meshed architecture equipped with Multi-Service Switches (MSSs). In the context of these emerging technologies, we propose a load-balancing spare capacity reallocation approach to improve network utilization in the next-generation SONET metro networks. Using our approach, carriers can postpone network upgrades, resulting in increased revenue with reduced capital expenditures (CAPEX). For the first time, we consider the spare capacity reallocation problem from a capacity upgrade and network planning perspective. Our approach can operate in the context of shared-path protection (with backup multiplexing) because it reallocates spare capacity without disrupting working services. Unlike previous spare capacity reallocation approaches which aim at minimizing total spare capacity, our load-balancing approach minimizes the network load vector (NLV), which is a novel metric that reflects the network load distribution. Because NLV takes into consideration both uniform and non-uniform link capacity distribution, our approach can benefit both uniform and non-uniform networks. We develop a greedy loadbalancing spare capacity reallocation (GLB-SCR) heuristic algorithm to implement this approach. Our experimental results show that GLB-SCR outperforms a previously proposed algorithm (SSR) in terms of established connection capacity and total network capacity in both uniform and non-uniform networks.

Partial disjoint path for multi-layer protection in GMPLS networks

In this paper, different recovery methods applied at different network layers and time scales are used in order to enhance the network reliability. Each layer deploys its own fault management methods. However, current recovery methods are applied to only a specific layer. New protection schemes, based on the proposed partial disjoint path algorithm, are defined in order to avoid protection duplications in a multi-layer scenario. The new protection schemes also encompass shared segment backup computation and shared risk link group identification. A complete set of experiments proves the efficiency of the proposed methods in relation with previous ones, in terms of resources used to protect the network, the failure recovery time and the request rejection ratio

Maximizing Resource Sharing in WDM Mesh Networks With Path-Based Protection and Sparse OEO Regeneration

We propose a resource-sharing scheme that supports three kinds of sharing scenarios in a WDM mesh network with path-based protection and sparse OEO regeneration. Several approaches are used to maximize the sharing of wavelength-links and OEO regenerators.

Optimization of p-cycle protection schemes in optical networks

La survie des réseaux est un domaine d'étude technique très intéressant ainsi qu'une préoccupation critique dans la conception des réseaux. Compte tenu du fait que de plus en plus de données sont transportées à travers des réseaux de communication, une simple panne peut interrompre des millions d'utilisateurs et engendrer des millions de dollars de pertes de revenu. Les techniques de protection des réseaux consistent à fournir une capacité supplémentaire dans un réseau et à réacheminer les flux automatiquement autour de la panne en utilisant cette disponibilité de capacité. Cette thèse porte sur la conception de réseaux optiques intégrant des techniques de survie qui utilisent des schémas de protection basés sur les p-cycles. Plus précisément, les p-cycles de protection par chemin sont exploités dans le contexte de pannes sur les liens. Notre étude se concentre sur la mise en place de structures de protection par p-cycles, et ce, en supposant que les chemins d'opération pour l'ensemble des requêtes sont définis a priori. La majorité des travaux existants utilisent des heuristiques ou des méthodes de résolution ayant de la difficulté à résoudre des instances de grande taille. L'objectif de cette thèse est double. D'une part, nous proposons des modèles et des méthodes de résolution capables d'aborder des problèmes de plus grande taille que ceux déjà présentés dans la littérature. D'autre part, grâce aux nouveaux algorithmes, nous sommes en mesure de produire des solutions optimales ou quasi-optimales. Pour ce faire, nous nous appuyons sur la technique de génération de colonnes, celle-ci étant adéquate pour résoudre des problèmes de programmation linéaire de grande taille. Dans ce projet, la génération de colonnes est utilisée comme une façon intelligente d'énumérer implicitement des cycles prometteurs. Nous proposons d'abord des formulations pour le problème maître et le problème auxiliaire ainsi qu'un premier algorithme de génération de colonnes pour la conception de réseaux protegées par des p-cycles de la protection par chemin. L'algorithme obtient de meilleures solutions, dans un temps raisonnable, que celles obtenues par les méthodes existantes. Par la suite, une formulation plus compacte est proposée pour le problème auxiliaire. De plus, nous présentons une nouvelle méthode de décomposition hiérarchique qui apporte une grande amélioration de l'efficacité globale de l'algorithme. En ce qui concerne les solutions en nombres entiers, nous proposons deux méthodes heurisiques qui arrivent à trouver des bonnes solutions. Nous nous attardons aussi à une comparaison systématique entre les p-cycles et les schémas classiques de protection partagée. Nous effectuons donc une comparaison précise en utilisant des formulations unifiées et basées sur la génération de colonnes pour obtenir des résultats de bonne qualité. Par la suite, nous évaluons empiriquement les versions orientée et non-orientée des p-cycles pour la protection par lien ainsi que pour la protection par chemin, dans des scénarios de trafic asymétrique. Nous montrons quel est le coût de protection additionnel engendré lorsque des systèmes bidirectionnels sont employés dans de tels scénarios. Finalement, nous étudions une formulation de génération de colonnes pour la conception de réseaux avec des p-cycles en présence d'exigences de disponibilité et nous obtenons des premières bornes inférieures pour ce problème.