Die schichtenübergreifende Steuerung von Multi-Layer Netzen ermöglicht die Realisierung fortgeschrittener Netzarchitekturen sowie neuartiger Konzepte zur Steigerung der Ausfallsicherheit. Gegenstand dieser Arbeit ist ein neues ressourcensparendes Konzept zur Kompensation von Core-Router-Ausfallen in IP-Netzen. Core-Router-Ausfälle führen zur Abkopplung der an Ihnen angeschlossenen Zugangsrouter vom Netz. Daher werden die Zugangsrouter üblicherweise mit jeweils zwei oder mehreren verschiedenen Core-Routern verbunden (engl.: dual homing) was jedoch eine Verdoppelung der Anschlusskapazität im IP Netz bedingt. Bei dem neuen Verfahren - Dual Homing mit gemeinsam genutzten Router-Ersatzressourcen (engl.: dual homing with shared backup router resources, DH-SBRR) - erfolgt die Zugangsrouter-Anbindung zum einen zu einem Core-Router des IP-Netzes und zum anderen zu einem Netzelement der darunterliegenden Transportschicht. Damit lassen sich Router-Ersatzressourcen, die im IP-Netz an beliebigen Stellen vorgehalten werden können, uber das Transportnetz an die Stelle eines ausgefallenen Core-Routers schalten. Die Steuerung dieser Ersatzschaltung geschieht über eine schichten übergreifende, d.h. das Transportnetz- und IP-Netz umfassende Control-Plane - beispielsweise auf Basis von GMPLS. Da beim Umschalten der Routerressourcen auch aktuelle Zustände (bspw. Routing-Tabellen) auf die Router-Ersatzressourcen mit übertragen werden müssen, beinhaltet das neue Verfahren auch Konzepte zur Router-Virtualisierung. Zum Vergleich und zur Bewertung der Leistungsfähigkeit des neuen DH-SBRR Verfahrens werden in der Arbeit verschiedene Zugangsrouter-Homing-Varianten hinsichtlich Netz-Kosten, Netz-Verfügbarkeit, Recovery-Zeit und Netz-Energieverbrauch gegenübergestellt. Als Multi-Layer Netzszenarien werden zum einen IP über WDM und zum anderen IP über OTN (ODU) betrachtet. Zur Bestimmung der minimalen Netz-Kosten ist ein generisches Multi-Layer Netzoptimierungsmodell entwickelt worden, welches bei unterschiedlichen Homing-Architekturen angewendet werden kann. Neben dem Optimierungsmodell zur Netzkostenminimierung wird auch eine Modellvariante zur Minimierung des Energieverbrauchs vorgestellt. Um die Rechenzeit für die Lösung der Optimierungsprobleme zu verringern und damit auch größere Netzszenarien untersuchen zu können bedarf es heuristischer Lösungsverfahren. Im Rahmen der Arbeit ist daher eine neue speziell auf die Multilayer-Optimierungsprobleme zugeschnittene Lösungsheuristik entwickelt worden. Aus der Netzkosten-Optimierung ergibt sich, dass durch den Einsatz von DH-SBBR signifikante Kosteneinsparungen im Vergleich zu herkömmlichen Homing-Architekturen realisiert werden können. Änderungen der Verkehrslast, der Kosten der IP-Netzelemente oder der Netztopologie haben keinen signifikanten Einfluss auf dieses Ergebnis. Neben dem Kosten- und Energieeinsparungspotential sind auch die Auswirkungen auf die Netz-Verfügbarkeit und die Recovery-Zeit untersucht worden. Für die Ende-zu-Ende Verfügbarkeit bei Anwendung der verschiedenen Homing-Architekturen Können untere Grenzwerte angegeben werden. Zur Bestimmung der Recovery-Zeit bei Einsatz von DH-SBRR ist ein eigenes analytisches Berechnungsmodell entwickelt und evaluiert worden. Damit kann das DH-SBRR Verfahren zur Einhaltung vorgegebener Recovery-Zeiten (wie sie für bspw. Für bestimmte Dienste gefordert werden) entsprechend parametriert werden. / The emergence of multi-layer networking capabilities opens the path for the development of advanced network architectures and resilience concepts. In this dissertation we propose a novel resource-efficient homing scheme: dual homing with shared backup router resources. The proposed scheme realizes shared router-level redundancy, enabled by the emergence of control plane architectures such as generalized multi-protocol label switching. Additionally, virtualization schemes complement the proposed architecture. Different homing architectures are examined and compared under the prism of cost, availability, recovery time and energy efficiency. Multiple network layers are considered in Internet protocol over wavelength division multiplexing as well as Internet protocol over optical data unit settings - leading to the development of multi-layer optimization techniques. A generic multi-layer network design mathematical model, which can be applied to different homing architecture considerations, is developed. The optimization objective can be adapted to either minimizing the cost for network equipment or the power consumption of the network. In order to address potential issues with regard to computational complexity, we develop a novel heuristic approach specifically targeting the proposed architecture. It is shown that significant cost savings can be achieved - even under extreme changes in the traffic demand volume, in the cost for different types of network equipment, as well as in the network topology characteristics. In order to evaluate occurring tradeoffs in terms of performance, we study the effects on availability and recovery time. We proceed to derive lower bounds on end-to-end availability for the different homing architectures. Additionally, an analytical recovery time model is developed and evaluated. We investigate how service-imposed maximum outage requirements have a direct effect on the setting of the proposed architecture.

Die schichtenübergreifende Steuerung von Multi-Layer Netzen ermöglicht die Realisierung fortgeschrittener Netzarchitekturen sowie neuartiger Konzepte zur Steigerung der Ausfallsicherheit. Gegenstand dieser Arbeit ist ein neues ressourcensparendes Konzept zur Kompensation von Core-Router-Ausfallen in IP-Netzen. Core-Router-Ausfälle führen zur Abkopplung der an Ihnen angeschlossenen Zugangsrouter vom Netz. Daher werden die Zugangsrouter üblicherweise mit jeweils zwei oder mehreren verschiedenen Core-Routern verbunden (engl.: dual homing) was jedoch eine Verdoppelung der Anschlusskapazität im IP Netz bedingt. Bei dem neuen Verfahren - Dual Homing mit gemeinsam genutzten Router-Ersatzressourcen (engl.: dual homing with shared backup router resources, DH-SBRR) - erfolgt die Zugangsrouter-Anbindung zum einen zu einem Core-Router des IP-Netzes und zum anderen zu einem Netzelement der darunterliegenden Transportschicht. Damit lassen sich Router-Ersatzressourcen, die im IP-Netz an beliebigen Stellen vorgehalten werden können, uber das Transportnetz an die Stelle eines ausgefallenen Core-Routers schalten. Die Steuerung dieser Ersatzschaltung geschieht über eine schichten übergreifende, d.h. das Transportnetz- und IP-Netz umfassende Control-Plane - beispielsweise auf Basis von GMPLS. Da beim Umschalten der Routerressourcen auch aktuelle Zustände (bspw. Routing-Tabellen) auf die Router-Ersatzressourcen mit übertragen werden müssen, beinhaltet das neue Verfahren auch Konzepte zur Router-Virtualisierung. Zum Vergleich und zur Bewertung der Leistungsfähigkeit des neuen DH-SBRR Verfahrens werden in der Arbeit verschiedene Zugangsrouter-Homing-Varianten hinsichtlich Netz-Kosten, Netz-Verfügbarkeit, Recovery-Zeit und Netz-Energieverbrauch gegenübergestellt. Als Multi-Layer Netzszenarien werden zum einen IP über WDM und zum anderen IP über OTN (ODU) betrachtet. Zur Bestimmung der minimalen Netz-Kosten ist ein generisches Multi-Layer Netzoptimierungsmodell entwickelt worden, welches bei unterschiedlichen Homing-Architekturen angewendet werden kann. Neben dem Optimierungsmodell zur Netzkostenminimierung wird auch eine Modellvariante zur Minimierung des Energieverbrauchs vorgestellt. Um die Rechenzeit für die Lösung der Optimierungsprobleme zu verringern und damit auch größere Netzszenarien untersuchen zu können bedarf es heuristischer Lösungsverfahren. Im Rahmen der Arbeit ist daher eine neue speziell auf die Multilayer-Optimierungsprobleme zugeschnittene Lösungsheuristik entwickelt worden. Aus der Netzkosten-Optimierung ergibt sich, dass durch den Einsatz von DH-SBBR signifikante Kosteneinsparungen im Vergleich zu herkömmlichen Homing-Architekturen realisiert werden können. Änderungen der Verkehrslast, der Kosten der IP-Netzelemente oder der Netztopologie haben keinen signifikanten Einfluss auf dieses Ergebnis. Neben dem Kosten- und Energieeinsparungspotential sind auch die Auswirkungen auf die Netz-Verfügbarkeit und die Recovery-Zeit untersucht worden. Für die Ende-zu-Ende Verfügbarkeit bei Anwendung der verschiedenen Homing-Architekturen Können untere Grenzwerte angegeben werden. Zur Bestimmung der Recovery-Zeit bei Einsatz von DH-SBRR ist ein eigenes analytisches Berechnungsmodell entwickelt und evaluiert worden. Damit kann das DH-SBRR Verfahren zur Einhaltung vorgegebener Recovery-Zeiten (wie sie für bspw. Für bestimmte Dienste gefordert werden) entsprechend parametriert werden. / The emergence of multi-layer networking capabilities opens the path for the development of advanced network architectures and resilience concepts. In this dissertation we propose a novel resource-efficient homing scheme: dual homing with shared backup router resources. The proposed scheme realizes shared router-level redundancy, enabled by the emergence of control plane architectures such as generalized multi-protocol label switching. Additionally, virtualization schemes complement the proposed architecture. Different homing architectures are examined and compared under the prism of cost, availability, recovery time and energy efficiency. Multiple network layers are considered in Internet protocol over wavelength division multiplexing as well as Internet protocol over optical data unit settings - leading to the development of multi-layer optimization techniques. A generic multi-layer network design mathematical model, which can be applied to different homing architecture considerations, is developed. The optimization objective can be adapted to either minimizing the cost for network equipment or the power consumption of the network. In order to address potential issues with regard to computational complexity, we develop a novel heuristic approach specifically targeting the proposed architecture. It is shown that significant cost savings can be achieved - even under extreme changes in the traffic demand volume, in the cost for different types of network equipment, as well as in the network topology characteristics. In order to evaluate occurring tradeoffs in terms of performance, we study the effects on availability and recovery time. We proceed to derive lower bounds on end-to-end availability for the different homing architectures. Additionally, an analytical recovery time model is developed and evaluated. We investigate how service-imposed maximum outage requirements have a direct effect on the setting of the proposed architecture.