Elastic Optical Network Simulator

RÉSUMÉ La nouvelle génération de réseaux optiques de type backbone est passée d’une grille fixe, où les connexions devaient s’imbriquer dans des canaux espacés de 50 ou 100 GHz, vers une grille flexible, composée de plus petits blocs, nommés slots, ayant typiquement des largeurs de bande de 6.25 GHz. Cette grille est dite flexible car les connections peuvent être assignées sur la base de multiples contigus de ces slots afin d’optimiser l’utilisation du spectre. Les réseaux utilisant ce type de grille, appelés Réseaux Optiques Élastiques (ou Elastic Optical Networks (EONs)) ont ainsi pour effet à la fois de réduire les espaces fréquentiels inutilisés imposés par les contraintes d’une grille fixe et de permettre l’établissement de connexions nécessitant de plus grandes largeurs de bande que celle offerte par cette dernière. Il est donc possible de maximiser le débit du réseau tout en évitant l’achat et installation de capacité additionnelle. Le chevauchement dans le réseau de connexions de granularités variables, combiné à la nature dynamique de leurs établissements et de leurs retraits, entraîne toutefois l’apparition de petits regroupements de slots inutilisés et inutilisables pour des connections futures en raison de leurs tailles. La répartition de ces blocs sur l’ensemble du spectre des fibres du réseau mène à une hausse du taux de blocage global à la dégradation de sa performance. C’est sur cette problématique précise de fragmentation du spectre que porte le présent mémoire de Maîtrise. La fragmentation qui se manifeste dans les Réseaux Optiques Élastique est causée par deux contraintes d’assignation. Nommées contiguïté et continuité, ces contraintes peuvent être traduites à l’aide d’un modèle mathématique permettant d’exprimer le phénomène. Celui-ci est ensuite utilisé pour mettre en place des métriques visant à déterminer le niveau de fragmentation sur les liens du réseau. De plus, le choix de la route et de la région spectrale empruntées par une connexion peut être régi par une multitude d’algorithmes, dont la complexité et l’efficacité sont variables. Les plus complexes vont jusqu’à effectuer un choix d’assignation prenant en compte l’impact de celui-ci sur la fragmentation résultante ou encore, partitionner le spectre en fonction des granularités des connexions pour ainsi relaxer la contrainte de contiguïté. Les plus simples, pour leur part, assignent les connexions en suivant des consignes élémentaires. Par ailleurs, lorsque le niveau de fragmentation est trop élevé et qu’il risque d’entraîner un taux indésirable de blocage, les Réseaux Optiques Élastiques peuvent aussi être défragmentés. Dans de tels cas, l’ensemble ou une partie des connexions du réseau est redirigé vers une nouvelle région spectrale, en empruntant la même route ou une route alternative. La défragmentation peut s’exécuter sur les connexions relocalisées sans interruption de service, mais le coût matériel additionnel d’une telle mesure est non-négligeable.

Abstract

ABSTRACT In order to allow the establishment of large-bandwidth lightpaths on its links while at the same time reducing the amount of unusable spectrum caused by small lightpaths allocated on the immutable 50 or 100 GHz grids, the new generation of backbone networks, known as Elastic Optical Networks (EONs) has evolved from a fixed to a flexible grid. This fundamental change of paradigm optimizes the overall spectrum utilization and helps avoiding the expenditure of additional capacity. The new grid uses smaller blocks of spectrum, called "slots", which bandwidths are typically 6.25 GHz. The incoming lightpaths are assigned to a contiguous multiple of these slots which spans the exact bandwidth required. While the flexible grid allows these networks to reduce the amount of unused spectrum, the presence of various lightpath granularities combined with the dynamic nature of their arrival and departures can lead to the creation of small free spectrum holes, unusable for future incoming connections. "Spectrum Fragmentation" is the notion used to describe these holes as they spread along the network links and lead to additional blocking. This thesis is dedicated to the study of spectrum fragmentation and defragmentation by the means of the conception of a new Elastic Optical Network simulator. Two constraints, contiguity and continuity, are behind fragmentation in Elastic Optical Networks. A mathematical model can be put in place to consider these constraints for lightpaths assignment and to evaluate fragmentation levels on links, according to different metrics. Many route options and spectrum regions can be selected when a lightpath needs to be set up. Therefore, multiple Routing and Spectrum Assignment policies, of different complexity and efficiency, are available. While the simplest ones assign the lightpaths following basic instructions, the more complex ones evaluate the resulting fragmentation level of an assignment, so to prefer the optimal choice or even implement a partition of the spectrum for each possible granularity in order to waive the contiguity constraint. It is also possible, when the network is over-fragmented and leading to undesired blocked connections, to reconfigure the active lightpaths to new spectral regions and possibly to alternative routes. This reconfiguration can be operated using all or only a portion of the active lightpaths. However, while some methods, categorized as "hitless", allow migration of lightpaths without interrupting their service, they entail additional equipment, synchronization issues, and costs that most net-work operators are not willing to incur. With non-hitless migrations, it is therefore a priority to minimize the number of lightpaths to migrate during the defragmentation process.