Advanced routing mechanisms in ASON/GMPLS networks

Abstract

Current network infrastructures are supported on a layered model whereby heterogeneous data traffic can be seamlessly transported. In this architecture, where client/server relationships are established between adjacent layers, there exists an IP layer on top, two intermediate Asynchronous Transfer Mode (ATM) and Synchronous Digital Hierarchy (SDH) layers, and a Wavelength Division Multiplexing (WDM) layer at the bottom. Despite the benefits provided by the intermediate ATM and SDH layers (i.e., QoS and resilience), the complex interaction between them and the introduced overhead motivate an evolution towards a lighter model, where IP flows are directly sent through the WDM layer. In this new IP/WDM model the functionalities formerly provided by the ATM and SDH layers are moved to the optical domain. From an operational perspective, the static nature of current transport networks, which leads to long service provisioning times (i.e., hours or days), becomes incompatible with the dynamic patterns associated to the prevalent IP traffic. To overcome these limitations, the ITU-T proposed the Automatically Switched Optical Network (ASON) architecture, which utilizes a control plane to provide fast and reliable lightpaths within the optical transport network. In addition, the Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) model defined by the IETF appears as the most promising technology to implement the functionalities of the ASON control plane. Although being a significant advance towards flexible and easy-to-maintain transport network architectures, the ASON/GMPLS paradigm still presents three major open issues that are addressed in this thesis. First, due to the coarse granularity offered by the WDM transport technology, established connections remain underused when sub-wavelength client flows must be transmitted. In light of this, a multi-layer approach, where different higher level data flows are aggregated in the IP layer and transmitted over the same optical path, appears as the most valid solution. Besides, the GMPLS technology is more than indicated to implement the control plane in this multi-layer architecture, since it allows the management of different switching technologies in an integrated way. In this regard, this thesis reports the experimental design and validation of a GMPLS-controlled multi-layer optical transport network. Second, even though pure optical transmission enabled by WDM provides high bandwidth in a cost-effective way, it is also very sensitive to the physical layer impairments that affect to the transmitted optical signal and, thus, to the transported data. Hence, a control plane capable of managing physical layer information to provide feasible lightpaths becomes a must. This thesis introduces and experimentally evaluates different architectural solutions to implement an impairment-aware GMPLS-based control plane. Finally, as transport network infrastructures grow, they are typically segmented into domains due to administrative, technological, or scalability reasons. Furthermore, the interconnection of network infrastructures managed by different operators is mandated by the need to provide long distance connectivity. Here, confidentiality and reliability concerns become of paramount importance. All this justifies the need for multi-domain networks. In GMPLS-controlled multi-domain optical transport networks, this partitioning affects to end-to-end service provisioning, which is hindered by the reduced information exchange between domains resulting from the fulfillment of segmentation criteria. As the third goal of this thesis, different mechanisms for scalable and effective end-to-end service provisioning are proposed in this multi-domain scenario.

Les xarxes de comunicacions actuals segueixen un model distribuït de quatre capes que permet la transmissió de tràfic de dades heterogeni de forma eficaç sobre la mateixa infraestructura de transport. En aquesta arquitectura, la capa superior correspon a la capa IP, seguida per dues capes intermèdies que són la capa ATM (Asynchronous Transfer Mode) i la capa SDH (Synchronous Digital Hierarchy) i, finalment, la capa WDM (Wavelength Division Multiplexing). Encara que les capes ATM i SDH proporcionen beneficis com qualitat de servei i protecció i restauració, també comporten una sèrie de problemes com interaccions complexes entre elles i un excés d'informació de control. Això fa necessari evolucionar cap a una arquitectura més lleugera on els fluxos IP es puguin enviar directament a través de la capa WDM. En aquest nou model IP/WDM les funcionalitats proporcionades inicialment per les capes ATM i SDH es traspassen al domini òptic.Des d'un punt de vista operacional, la naturalesa estàtica del model en quatre capes fa que els temps de provisió de serveis siguin molt llargs (d'hores o dies) i, per tant, incompatibles amb els patrons de tràfic IP que són altament dinàmics. Per superar aquestes limitacions, la ITU-T va proposar l'arquitectura ASON (Automatically Switched Optical Network) que utilitza un pla de control per proporcionar connexions en la xarxa òptica de forma ràpida i fiable. A més, la tecnologia GMPLS (Generalized Multi-Protocol Label Switching), definida per la IETF, apareix com el model més prometedor per implementar les funcionalitats del pla de control d'ASON.Tot i que el paradigma ASON/GMPLS suposa un avenç significatiu per aconseguir un model flexible i fàcil de mantenir, encara presenta una sèrie de limitacions que es tracten en aquesta tesi.Primer, degut a la granularitat de longitud d'ona oferida per la tecnologia de transport WDM, els circuits òptics establerts queden infrautilitzats quan transmeten fluxos de dades de client de granularitat inferior. Per aquest motiu una solució multi-capa, en la que aquests fluxos de client puguin ser agregats a la capa IP i després transportats pel mateix circuit en la capa òptica, sembla la més apropiada. A més, la tecnologia GMPLS resulta molt adient per implementar el pla de control en aquesta arquitectura multi-capa, ja que permet la gestió de diferents tecnologies de commutació de forma integrada. En aquest context, aquesta tesi descriu el desenvolupament i validació experimental d'una xarxa de transport òptic multi-capa controlada per un pla de control GMPLS.En segon lloc, encara que la transmissió purament òptica basada en WDM proporciona un gran ample de banda amb un cost reduït, també és molt sensible als efectes negatius que afecten al senyal òptic transmès i, per tant, a la informació transportada. En aquest context esdevé necessari un pla de control que sigui capaç de manegar la informació associada a la capa òptica. Aquesta tesi presenta i avalua de forma experimental diferents solucions per implementar un pla de control GMPLS amb gestió dels impediments físics associats a la capa òptica.Finalment, degut al creixement de les infraestructures de xarxa, aquestes s'acostumen a particionar ja sigui per raons tecnològiques, administratives o d'escalabilitat. A més, la interconnexió entre dominis de diferents operadors, necessària per proporcionar connectivitat a llarga distància, implica problemes de confidencialitat entre operadors. Tot això dóna lloc a les xarxes multi-domini. En xarxes òptiques multi-domini controlades amb GMPLS, aquest particionat afecta a la provisió de serveis extrem a extrem, que es veu afectada pel limitat intercanvi d'informació causat per la necessitat de satisfer els requeriments esmentats. El tercer objectiu d'aquesta tesi consisteix en proporcionar mecanismes de provisió de connexions extrem a extrem, escalables i efectius, en aquest escenari multi-domini.