Redes ópticas cognitivasanálisis y optimización del paradigma semiestático

Resumen

En esta Tesis se proponen nuevos métodos para el diseño y optimización de redes ópticas con encaminamiento por longitud de onda. En este tipo de redes, se establecen circuitos totalmente ópticos, denominados lightpaths, entre nodos no necesariamente adyacentes en la topología física. Al conjunto de lightpaths establecidos se le denomina topología virtual. Los algoritmos propuestos se han desarrollado y validado en el contexto de una red CHRON (Cognitive Heterogeneous Reconfigurable Optical Network), que es una red óptica cognitiva donde conviven servicios y tecnologías heterogéneas. Este tipo de redes observa, actua, aprende y optimiza su modo de operación. De cualquier modo, los algoritmos propuestos en la Tesis podrían aplicarse a cualquier otra red. El ``cerebro'' de esta red cognitiva se encuentra en un sistema de decisión cognitivo que utiliza técnicas de cognición para aumentar la flexibilidad y eficiencia del uso de los recursos y para ahorrar costes de operación en la red. La demostración de las ventajas de dicha red se muestran no solo por medio de un estudio amplio de simulación sino también con entornos más realistas: un sistema de emulación y mediante un testbed físico. En concreto, la mayor parte de los métodos desarrollados en esta Tesis se relacionan con el diseño y reconfiguración de topologías virtuales. El diseño de topologías virtuales consiste en determinar entre qué nodos se establecen los lightpaths, buscar una ruta y una longitud de onda para cada una de estas conexiones en la topología física y encaminar el tráfico por la topología virtual. Por su parte, el proceso de reconfiguración consiste en determinar la topología virtual más adecuada, decidir en qué momento se aplica un proceso de reconfiguración y, por ultimo, determinar la secuencia de cambios entre una topología virtual y la siguiente a establecer. Por ello, se presenta una serie de algoritmos de diseño de topologías virtuales multiobjetivo capaces de obtener en una única ejecución un conjunto de topologías virtuales en las que todos los lightpaths tienen la calidad de transmisión adecuada y son capaces de optimizar al mismo tiempo varios parámetros como la congestión, el número de transmisores en operación, la potencia consumida o los costes de la red. La contribución fundamental de esta Tesis es la aplicación de cognición en el diseño de topologías virtuales para mejorar el funcionamiento de los algoritmos a lo largo del tiempo. Además se ha desarrollado una nueva política de reconfiguración de topologías virtuales cuyo objetivo es la minimización de los costes manteniendo bajos valores de la probabilidad de pérdida de paquetes en la red durante el proceso de reconfiguración. Para ello, la red tiene en cuenta las inestabilidades que se causan en las transiciones. De hecho, también se minimizan dichas pérdidas en el proceso de transición porque se presenta una secuencia para realizar el cambio de lightpaths entre la topología virtual establecida y la nueva. Esta nueva política es muy útil porque al minimizar los costes de la red en el diseño de topologías virtuales y durante el proceso de reconfiguración de dichas topologías, se reducen, en general, los recursos utilizados y se pueden emplear para otros paradigmas de conmutación. Finalmente, se demuestran las ventajas de la cognición de los algoritmos implementados en dos escenarios realistas: en un emulador con los protocolos de control implementados y en un testbed físico real formado por cuatro nodos. Por lo tanto, en esta Tesis además de presentar algoritmos para el diseño y optimización de redes ópticas, se han realizado pruebas en tres entornos de trabajo diferentes. Mientras que la mayor parte de trabajos de este tipo se validan por simulación, nosotros hemos analizado el funcionamiento de nuestros algoritmos en un emulador donde está presente parte del funcionamiento de las redes reales y también en una red real construida en un laboratorio de investigación. [1] I. Tomkos, P. Zakynthinos, D. Klonidis, D. Marom, S. Sygletos, A. Ellis, E. Salvadori, D. Siracusa, M. Angelou, G. Papastergiou, N. Psaila, J. F. Ferran, S. Ben-Ezra, F. Jiménez, y J. P. Fernández-Palacios, ¿Spatial-spectral flexible optical networking: enabling switching solutions for a simplified and efficient SDM network platform,¿ en Proceeding of the SPIE Photonic West, vol. 9009, (San Francisco, Estados Unidos), pp. 90090H¿90090H¿8, Febrero 2014. [2] B. Mukherjee, D. Banerjee, S. Ramamurthy, y B. Mukherjee, ¿Some principles for designing a wide-area WDM optical network,¿ IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 4, no. 5, pp. 684¿696, Octubre 1996. [3] I. de Miguel, R. J. Durán, T. Jiménez, N. Fernández, J. C. Aguado, R. M. Lorenzo, A. Caballero, I. Tafur, Y. Ye, A. Tymecki, I. Tomkos, M. Angelou, D. Klonidis, A. Francescon, D. Siracusa, y E. Salvadori, ¿Cognitive dynamic optical networks [Invited],¿ IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking, vol. 5, no. 10, pp. A107¿A118, Octubre 2013. [4] A. Caballero, R. Borkowski, I. de Miguel, R. J. Durán, J. C. Aguado, N. Fernández, T. Jiménez, I. Rodríguez, D. Sánchez, R. M. Lorenzo, D. Klonidis, E. Palkopoulou, N. P. Diamantopoulos, I. Tomkos, D. Siracusa, A. Francescon, E. Salvadori, Y. Ye, J. López, F. Pittalà, A. Tymecki, y I. Tafur Monroy, ¿Cognitive, heterogeneous and reconfigurable optical networks: The CHRON project,¿ Journal of Lightwave Technology, vol. 32, no. 13, pp. 2308¿2323, Julio 2014. [5] N. Fernández, R. J. Durán, D. Siracusa, A. Francescon, I. de Miguel, E. Salvadori, J. C. Aguado, y R. M. Lorenzo, ¿Virtual topology reconfiguration in optical networks by means of cognition: evaluation and experimental validation [Invited],¿ IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking, vol. 7, no. 1, pp. A162¿A173, Enero 2015. [6] R. Borkowski, R. J. Durán, C. Kachris, D. Siracusa, A. Caballero, N. Fernández, D. Klonidis, A. Francescon, T. Jiménez, J. C. Aguado, I. de Miguel, E. Salvadori, I. Tomkos, R. M. Lorenzo, y I. Tafur Monroy, ¿Cognitive optical network testbed: EU project CHRON [Invited],¿ IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking, vol. 7, no. 2, pp. A344¿A355, Febrero 2015.