Groupage et protection du trafic dynamique dans les réseaux WDM

Avec les nouvelles technologies des réseaux optiques, une quantité de données de plus en plus grande peut être transportée par une seule longueur d'onde. Cette quantité peut atteindre jusqu’à 40 gigabits par seconde (Gbps). Les flots de données individuels quant à eux demandent beaucoup moins de bande passante. Le groupage de trafic est une technique qui permet l'utilisation efficace de la bande passante offerte par une longueur d'onde. Elle consiste à assembler plusieurs flots de données de bas débit en une seule entité de données qui peut être transporté sur une longueur d'onde. La technique demultiplexage en longueurs d'onde (Wavelength Division Multiplexing WDM) permet de transporter plusieurs longueurs d'onde sur une même fibre. L'utilisation des deux techniques : WDM et groupage de trafic, permet de transporter une quantité de données de l'ordre de terabits par seconde (Tbps) sur une même fibre optique. La protection du trafic dans les réseaux optiques devient alors une opération très vitale pour ces réseaux, puisqu'une seule panne peut perturber des milliers d'utilisateurs et engendre des pertes importantes jusqu'à plusieurs millions de dollars à l'opérateur et aux utilisateurs du réseau. La technique de protection consiste à réserver une capacité supplémentaire pour acheminer le trafic en cas de panne dans le réseau. Cette thèse porte sur l'étude des techniques de groupage et de protection du trafic en utilisant les p-cycles dans les réseaux optiques dans un contexte de trafic dynamique. La majorité des travaux existants considère un trafic statique où l'état du réseau ainsi que le trafic sont donnés au début et ne changent pas. En plus, la majorité de ces travaux utilise des heuristiques ou des méthodes ayant de la difficulté à résoudre des instances de grande taille. Dans le contexte de trafic dynamique, deux difficultés majeures s'ajoutent aux problèmes étudiés, à cause du changement continuel du trafic dans le réseau. La première est due au fait que la solution proposée à la période précédente, même si elle est optimisée, n'est plus nécessairement optimisée ou optimale pour la période courante, une nouvelle optimisation de la solution au problème est alors nécessaire. La deuxième difficulté est due au fait que la résolution du problème pour une période donnée est différente de sa résolution pour la période initiale à cause des connexions en cours dans le réseau qui ne doivent pas être trop dérangées à chaque période de temps. L'étude faite sur la technique de groupage de trafic dans un contexte de trafic dynamique consiste à proposer différents scénarios pour composer avec ce type de trafic, avec comme objectif la maximisation de la bande passante des connexions acceptées à chaque période de temps. Des formulations mathématiques des différents scénarios considérés pour le problème de groupage sont proposées. Les travaux que nous avons réalisés sur le problème de la protection considèrent deux types de p-cycles, ceux protégeant les liens (p-cycles de base) et les FIPP p-cycles (p-cycles protégeant les chemins). Ces travaux ont consisté d’abord en la proposition de différents scénarios pour gérer les p-cycles de protection dans un contexte de trafic dynamique. Ensuite, une étude sur la stabilité des p-cycles dans un contexte de trafic dynamique a été faite. Des formulations de différents scénarios ont été proposées et les méthodes de résolution utilisées permettent d’aborder des problèmes de plus grande taille que ceux présentés dans la littérature. Nous nous appuyons sur la méthode de génération de colonnes pour énumérer implicitement les cycles les plus prometteurs. Dans l'étude des p-cycles protégeant les chemins ou FIPP p-cycles, nous avons proposé des formulations pour le problème maître et le problème auxiliaire. Nous avons utilisé une méthode de décomposition hiérarchique du problème qui nous permet d'obtenir de meilleurs résultats dans un temps raisonnable. Comme pour les p-cycles de base, nous avons étudié la stabilité des FIPP p-cycles dans un contexte de trafic dynamique. Les travaux montrent que dépendamment du critère d'optimisation, les p-cycles de base (protégeant les liens) et les FIPP p-cycles (protégeant les chemins) peuvent être très stables. With new technologies in optical networking, an increasing quantity of data can be carried by a single wavelength. This amount of data can reach up to 40 gigabits per second (Gbps). Meanwhile, the individual data flows require much less bandwidth. The traffic grooming is a technique that allows the efficient use of the bandwidth offered by a wavelength. It consists of assembling several low-speed data streams into a single data entity that can be carried on a wavelength. The wavelength division multiplexing (WDM) technique allows carrying multiple wavelengths on a single fiber. The use of the two techniques,WDMand traffic grooming, allows carrying a quantity of data in the order of terabits per second (Tbps) over a single optical fiber. Thus, the traffic protection in optical networks becomes an operation very vital for these networks, since a single failure can disrupt thousands of users and may result in several millions of dollars of lost revenue to the operator and the network users. The survivability techniques involve reserving additional capacity to carry traffic in case of a failure in the network. This thesis concerns the study of the techniques of grooming and protection of traffic using p-cycles in optical networks in a context of dynamic traffic. Most existing work considers a static traffic where the network status and the traffic are given at the beginning and do not change. In addition, most of these works concerns heuristic algorithms or methods suffering from critical lack of scalability. In the context of dynamic traffic, two major difficulties are added to the studied problems, because of the continuous change in network traffic. The first is due to the fact that the solution proposed in the previous period, even if optimal, does not necessarily remain optimal in the current period. Thus, a re-optimization of the solution to the problem is required. The second difficulty is due to the fact that the solution of the problem for a given period is different from its solution for the initial period because of the ongoing connections in the network that should not be too disturbed at each time period. The study done on the traffic grooming technique in the context of dynamic traffic consists of proposing different scenarios for dealing with this type of traffic, with the objective of maximizing the bandwidth of the new granted connections at each time period. Mathematical formulations of the different considered scenarios for the grooming problem are proposed. The work we have done on the problem of protection considers two types of p-cycles, those protecting links and FIPP p-cycles (p-cycle protecting paths). This work consisted primarily on the proposition of different scenarios for managing protection p-cycles in a context of dynamic traffic. Then, a study on the stability of cycles in the context of dynamic traffic was done. Formulations of different scenarios have been proposed and the proposed solution methods allow the approach of larger problem instances than those reported in the literature. We rely on the method of column generation to implicitly enumerate promising cycles. In the study of path protecting p-cycles or FIPP p-cycles, we proposed mathematical formulations for the master and the pricing problems. We used a hierarchical decomposition of the problem which allows us to obtain better results in a reasonable time. As for the basic p-cycles, we studied the stability of FIPP p-cycles in the context of dynamic traffic. The work shows that depending on the optimization criterion, the basic p-cycles (protecting the links) and FIPP p-cycles (protecting paths) can be very stable.

Keyphrases: Réseaux optiques, Groupage de trafic, Protection par p-cycles, Trafic Dynamique, Optical Networks, Traffic grooming, Protection by p-cycles, Dynamic Traffic