Planificación y optimización de redes ópticas en el Internet del futuro

Abstract

[SPA] Las estrictas exigencias requeridas por la futura red 5G, junto a las elevadas previsiones de crecimiento de tráfico IP, principalmente cimentadas en la proliferación de numerosos servicios basados en la nube, crean un panorama futuro lleno de incógnitas desde la perspectiva de las grandes redes ópticas de telecomunicaciones. Las tareas de planificación y optimización serán esenciales para asegurar que los requisitos pueden cumplirse de una manera económicamente viable. Esta tesis trata de analizar, en primer lugar, la validez de las predicciones de crecimiento tráfico, a la luz de las actuales aplicaciones y en un escenario donde los requisitos de latencia implican la evolución de los CDNs con el despliegue de micro-datacenters. Se analizará en particular el efecto de esta evolución en el tráfico soportado por las redes ópticas troncales. Segundo, la tesis estudia opciones que permitan abordar los requisitos esperados de la red, desde tres enfoques: a) optimización en el diseño y gestión de CDNs, b) control programable de la red basado, en redes definidas por software (SDN) y con virtualización en las funciones de red (NFV) y por último, c) posible introducción de tecnología SDM (Space Division Multiplexing) para expandir la capacidad de las redes de transporte como soporte efectivo del incremento de tráfico IP. Los resultados de este trabajo concluyen, en primera instancia, que la evolución del tráfico troncal en el Internet del futuro dependerá de la naturaleza de los servicios que las aplicaciones ofrezca, siendo el balance entre el tráfico de usuario y de sincronización especialmente determinante. Por otro lado, los resultados sugieren que un acercamiento del contenido a los usuarios puede tener el efecto neto de disminuir la cantidad de tráfico soportada por las redes core, en relación con las previsiones actuales. Los casos de uso analizados en el entorno SDN-NFV determinan la necesidad de optimización para proporcionar flexibilidad y programabilidad en la migración hacia sistemas virtualizados en las redes, siendo este conjunto de funcionalidades esenciales para satisfacer los requerimientos de los futuros servicios en el paradigma 5G. Además, las pruebas de concepto presentadas avalan la optimización conjunta de recursos de red e IT para la asistencia de service chains en redes basadas en SDN-NFV. Finalmente, para las redes ópticas basadas en SDM, la propuesta presentada de restricción de canal espacial (SCC) emerge como una opción válida a implementar en ROADMs para contextos flex-grid. La validez de tal propuesta reside en la reducción de coste de implementación dada por su menor complejidad y mayor disponibilidad de equipamiento, a costa de mínimas pérdidas en rendimiento, respecto de opciones totalmente permisivas.

[ENG] The strict requirements required for the future 5G network, jointly with the high growth forecasts of IP traffic, mainly based on the proliferation of cloud services, create a future panorama full of uncertainties from the perspective of large optical telecommunications networks. Planning and optimization tasks are essential to ensure that the requirements are satisfied in an economically viable manner. This thesis tries to analyze, in the first place, the validity of traffic growth predictions, in the light of current applications in a scenario where the latency requirements imply the evolution of CDNs with the deployment of micro-datacenters. In particular, the effect of this traffic evolution, supported by the optical backbone networks, will be analyzed. Second, the thesis studies some options that allow addressing the expected requirements of the network, from the perspective of three major approaches: a) optimization in the design and management of CDNs, b) programmable control of the network based on software-defined networking and with virtualization in network functions and finally, c) possible introduction of the Space Division Multiplexing (SDM) technology to expand the capacity of transport networks as effective support for the increase of IP traffic. The outcomes of this work conclude, in the first instance, that the evolution of the backbone traffic in the future Internet will depend on the nature of the services that the applications offer, being the balance between user traffic and synchronization one especially determining. On the other hand, the results suggest that place the content close to the users can have direct effect of decreasing the amount of traffic supported by the core networks, in relation to the current forecasts. The use cases analyzed in the SDN-NFV environment determine the need for optimization providing flexibility and programmability in the migration to virtualized systems in the networks. This set of functionalities are essential to satisfy the requirements of the future services in the 5G paradigm. In addition, the proof of concept presented in this thesis supports the joint optimization of network and IT resources for the assistance of service chains in networks based on SDN-NFV. Finally, for SDM-based optical networks, the proposal presented for space channel restriction (SCC) emerges as a valid option to be implemented in ROADMs for flex-grid environments. The validity of this proposal lies in the significant reduction in terms of implementation cost due to its lower complexity and the current availability of the equipment, at the expense of minimal performance degradations, compared to totally permissive options.