Virtual network provisioning over flexible optical transport infrastructure
Authors:   , Pagès Cruz Albert 
Published: October 2023

Current transport network owners are focused on offering services on top of the infrastructures they own, while end users have no control over them. Traditionally, this has been their business model, as the cost of building the infrastructures to provide services is considerably high. However, the traffic on Internet has been, and still is, rapidly increasing over the years. Additionally new emerging services are pushing the limits of existing telecommunication infrastructures, particularly transport optical networks. To overcome such situation, network virtualization has been considered as an effective solution for the future optical networks architectures. Thanks to Virtual Optical Networks (VONs), it is possible to create mission-specific logic infrastructures, which fulfil the exact requirements of the applications that will run on top of them, sharing a unique physical substrate. However, the applicability of virtualization techniques to the optical domain is still under research, being on key point the mapping of the virtual resources to the actual physical ones.
However, virtualization per se does not provide a solution flexible enough in terms of bandwidth utilization. For this to happen, an equally flexible transport technology must be adopted. Elastic Optical Networks (EONs) have been presented as an efficient solution for flexible bandwidth allocation. Additionally, due to the dinamicity of the traffic patterns that such virtual networks will face, it is highly desirable to provide a physical substrate that will help on keeping the associated operational expenditures (OPEX) at low levels, being a very important parameter the energy consumption. The energy consumption topic has been subject of big research efforts in order to provide more energy efficient optical transport networks, which, at their turn, will help on the creation of less costly virtual infrastructures.
This thesis is devoted to the study of resource allocation to VONs, aiming to provide a flexible, efficient and optimized environment for the embedding of the VONs to the actual physical substrate. The considered scenario is composed of an underlying optical transport network and multiple client VONs that have to be allocated on top. In such scenario, a key aspect relates to how actual resources are associated to the virtual ones, guaranteeing the isolation among VONs and satisfying the resources requirements of every one of them.
After an introduction to the thesis, chapter 2 surveys nowadays optical network infrastructures, concluding on the need to move towards a more dynamic and efficient optical network infrastructure. Next, it proceeds to summarize the state of the art of the concepts that enable for such network architecture, namely, VONs, EONs and energy efficient optical infrastructures. Then, chapters 3, 4 and 5 focus on providing solutions to optimize specific aspects of these enabling concepts. More in details, chapter 3 studies the main challenges on the VON embedding problem and presents solutions that allow for an optimized resoure assignment to VONs in a physical substrate depending on the VONs characteristics and the sppecific network substrate. Chapter 4 proposes the Split Spectrum (SS) approach as a way to improve the spectrum utilization of EONs. Finally, chapter 5 focuses on provide and evaluate routing and architectural solutions in aims to reduce the energy consumption of the optical substrate so as VONs with lower OPEX can be deployed on top of it.
Els actuals propietaris de xarxes de transport es centren en oferir serveis mitjançant les infraestructures que posseeixen, mentre els usuaris finals no tenen cap control sobre aquests. Tradicionalment, aquest ha estat el seu model de negoci, ja que el cost de construir aquestes infraestructures és considerablement elevat. Tanmateix, el tràfic a Internet ha estat creixent de manera ràpida durant els últims anys. A més, l'aparició de nous serveis està portant al límit les actuals infraestructures de telecomunicacions, especialment les xarxes òptiques de transport. Per tal de superar aquesta situació, la virtualització de xarxes és considerada com una solució efectiva per les futures arquitectures de xarxes òptiques. Gràcies a les Xarxes Òptiques Virtuals (VONs), és possible crear infraestructures lògiques específiques en la seva missió, les quals permeten satisfer els requisits de les aplicacions que s'executaran a través d'elles, compartint un únic substrat físic. Tanmateix, l'aplicació de les tècniques de virtualització en el domini òptic encara és subjecte d'investigació, sent el mapeig entre els recursos virtuals i els recursos físics un punt clau que cal adreçar. No obstant això, la virtualització en si mateixa no proporciona una solució prou flexible en termes d'utilització de l'espectre. Per aquest motiu és necessari que el substrat físic adopti una tecnologia igualment flexible. Les Xarxes Òptiques Elàstiques (EONs) es presenten com una solució eficient per a una assignació flexible de l'espectre. A més, a causa del dinamisme dels perfils de trafic als quals s'enfrontaran les VONs, és desitjable proporcionar una infraestructura física que ajudi a mantenir baixes les despeses operatives (OPEX) d'aquestes xarxes, sent un paràmetre molt important el consum energètic. El tema del consum energètic ha estat subjecte de grans iniciatives de recerca per tal de proporcionar xarxes de transport òptiques més eficients energèticament, les quals permetran crear VONs menys costoses. Aquesta tesi està dedicada a l'estudi l'assignació de recursos a les VONs, amb l'objectiu de proporcionar un entorn flexible, eficient i optimitzat per a la incrustació de les VONs al substrat físic. L'escenari considerat es compon d'una xarxa de transport subjacent i múltiples VONs client a col·locar sobre el substrat físic. En aquest escenari, un aspecte clau es refereix a com els recursos reals s'associen als virtuals, garantint l'aïllament entre VONs i satisfent els recursos demanats per cada una d'elles. Després d'una introducció a la tesi, el capítol 2 revisa les infraestructures de xarxa òptica actuals, concloent en la necessitat d'avançar cap a infraestructures més dinàmiques i eficients. Tot seguit, es procedeix a resumir l'estat de l'art dels conceptes que habilitaran aquesta arquitectura de xarxa, bàsicament, VONs, EONs i les xarxes òptiques de baix consum. A continuació, els capítols 3, 4 i 5 es centren en proporcionar solucions per optimitzar aspectes específics d'aquests conceptes. Més en detall, el capítol 3 estudia els principals reptes en el problema de la incrustació de VONs i presenta solucions que permetin assignar recursos de manera optimitzada a les VONs en un substrat físic. El capítol 4 proposa el concepte de l'Split Spectrum (SS) com una forma de millorar la utilització de l'espectre en les EONs. Finalment, el capítol 5 es centra en proporcionar i avaluar solucions arquitectòniques i d'enrutament amb l'objectiu de reduir el consum d'energia del substrat òptic de tal manera que VONs amb menor OPEX puguin ser desplegades a través d'ell.
Los actuales propietarios de las redes de transporte se centran en ofrecer servicios mediante las infraestructuras que poseen y gestionan, mientras que los usuarios finales no tienen ningún control sobre estos. Tradicionalmente, este ha sido el modelo de negocio adoptado por los operadores de redes, ya que el coste de construir y mantener las infraestructuras correspondientes por tal de ofrecer servicios mediante ellas era, y aun es, considerablemente elevado. No obstante, el tráfico en Internet ha crecido de manera rápida y sostenida durante los últimos años y se prevé que continuara con este crecimiento en el futuro. Además, la aparición de nuevos servicios y paradigmas, están llevando al límite las actuales infraestructuras de telecomunicaciones, especialmente las redes de trasporte óptico. Por tal de superar dicha situación, la virtualización de redes ha sido considerada como una solución efectiva para las futuras arquitecturas de redes ópticas. Gracias a las Redes Ópticas Virtuales (VONs), es posible crear infraestructuras lógicas especificas en su misión, las cuales podrán satisfacer los requisitos de las aplicaciones que se ejecutaran a través de ellas, usando y compartiendo un único sustrato físico.
No obstante, la aplicación de las técnicas de virtualización en el dominio óptico aun es sujeto de investigación, siendo el mapeo entre los recursos virtuales y los físicos (también conocido como incrustación de la red virtual) un punto clave a solucionar.
No obstante, la virtualización por si misma no ofrece una solución suficientemente flexible en términos de utilización del ancho de banda. Por tal de proporcionar un entorno de virtualización suficientemente flexible para acomodar cualquier ancho de banda con suficiente granularidad, es necesario que el sustrato físico adopte una tecnología de transporte igual de flexible. Las Redes Ópticas Elásticas (EONs) se presentan como una solución eficiente para una asignación flexible del ancho de banda en redes ópticas. Además, debido a la heterogeneidad y dinamismo de los perfiles de tráfico a los cuales se enfrentaran las redes virtuales, es altamente deseable proporcionar una infraestructura física que ayuda a mantener bajos los gastos operativos (OPEX) de estas redes, siendo un parámetro muy importante el consumo energético asociado a la operación de las VONs. El tema del consumo energético ha sido, y aun es, sujeto de grandes iniciativas de investigación centradas en desarrollar nuevas arquitecturas de dispositivos o algoritmos de asignación de recursos conscientes del consumo energético por tal de proporcionar redes de transporte ópticas más eficientes energéticamente que, a su vez, permitan crear infraestructuras virtuales menos costosas des del punto de vista energético.
Esta tesis se centra en el estudio de la composición y asignación de recursos a las VONs, con el objetivo de proporcionar un entorno flexible, eficiente y optimizado para la incrustación de las VONs en el sustrato físico real. El escenario considerado se compone de una red de transporte subyacente, ya sea una Red Óptica de Conmutación de Longitud de Onda (WSON) o EON, y múltiples VONs cliente, las cuales se colocaran encima del sustrato físico. En este escenario, un aspecto clave se refiere a como los recursos reales se asocian a los virtuales, garantizando el aislamiento entre VONs y satisfaciendo los recursos pedidos (por ejemplo, capacidad de enlace) por cada una de ellas.

Después de una introducción a la tesis, el capítulo 2 revisa las infraestructuras de redes ópticas actuales, concluyendo en la necesidad de avanzar hacia una infraestructura de red óptica más dinámica y eficiente por tal de afrontar el crecimiento del tráfico en Internet y la aparición de nuevos servicios y paradigmas. Seguidamente, se procede a resumir el estado del arte de los conceptos y paradigmas que permitirán habilitar esta arquitectura de red, básicamente, VONs, EONs y las infraestructuras ópticas de bajo consumo energético. A continuación, los capítulos 3, 4 y 5 se centran en proporcionar soluciones para optimizar aspectos específicos de estos conceptos con la finalidad de proporcionar un marco optimizado que ayudara en la configuración de las futuras infraestructuras de redes ópticas y sus modelos de negocio. Concretamente, el capítulo 3 estudia los principales retos en el problema de la incrustación de VONs y presenta soluciones que permiten una asignación de recursos optimizada a las VONs en un sustrato físico dependiendo de las características de las VONs y del sustrato de red. El capítulo 4 propone el concepto de Split Spectrum (SS) como una forma de mejorar la utilizaci_on del espectro en las EONs.
Finalmente, el capítulo 5 se centra en proporcionar y evaluar soluciones arquitectónicas y de enrutamiento con el objetivo de reducir el consumo energético del sustrato óptico de tal manera que VONs con menor OPEX puedan ser desplegadas mediante este sustrato.