Internet traffic is increasing exponentially, driven by new technologies such as Internet of Things (IoT) and rich streaming media. The traditional IP router becomes a bottleneck for further Internet expansion due to its high power consumption and inefficiency in processing the growing traffic. Router bypass has been introduced to overcome capacity limitations and the processing costs of IP routers. With router bypass, a portion of traffic is provisioned to bypass the router and is switched by the transport layer. Router bypass has shown to provide significant savings in network costs. These advantages are limited by a reduction in the statistical multiplexing associated with the subdivision of the available bandwidth typically into bypass and traditional portions thus limiting the interest in bypass techniques. This thesis will explore multiple techniques to enhance the efficiency of router bypass. The main goals are to address the issue of the reduction in statistical multiplexing and to add a dynamic approach to the router bypass mechanism. The recent advancements in the Optical Transport Network (OTN) play a major role in the transport network. This proposal takes full advantage of OTN in the router-bypassing context by applying recent developments such as Hitless Adjustments ODUflex (HAO), which allow the provisioned channels to be adjusted without re-establishing the connections. In addition, it will allow the bypassing mechanism to be flexible enough to meet the traffic behaviour needs of the future. This thesis will study multiple approaches to enhance the router bypass mechanism including: an adaptive provisioning style using various degrees of provisioning granularities and controlling the provisioning based on traffic behaviour. In addition, this thesis will explore the impact of automation in Software-Defined Networking (SDN) on router bypass. The application-driven infrastructure in SDN is moving the network to be more adaptive, which paves the way for an enhanced implementation of router bypass. Many challenges still face the industry to fully integrate the three layers (3, 2, and 1) to transform the current infrastructure into an adaptive application driven network. The IP router (layer 3) provisions and restores the connection regardless of the underlying layers (layer 2 and 1) and the transport layer does the same regardless of the IP layer. Although allowing every layer to develop without being constrained by other layers offers a huge advantage, it renders the transport layer static and not fully aware of the traffic behaviour. It is my hope that this thesis is a step forward in transforming the current network into a dynamic, efficient and responsive network. A simulation has been built to imitate the router bypassing concept and then many measurements have been recorded. / Graduate

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.

By 2020 there will be 50 billion connected devices over the Internet. With the fast-increasing data traffic demand in both fixed and mobile networks, network operators need to migrate networks towards next generation solutions. The network migration requires the enormous investment in equipment and infrastructure, while the revenues are not expected to grow significantly. Therefore, one of the main challenges for network operators is to find out a proper cost-effective optical network solution that can match future high capacity demand and flexibly support multiple network services on a common network infrastructure. The first part of the thesis addresses the Active Optical Network (AON) and its migration strategies towards Next Generation Optical Access (NGOA) solutions. Several migration strategies are proposed from the perspective of network topology, data plane and control plane. A general methodology for Techno-Economic analysis has been developed and applied to the Total Cost of Ownership (TCO) calculation of different NGOA solutions. The thesis provides a complete cost evaluation of AON migration paths, which can be used by network operators to assess the economic feasibility of network migration. A converged Optical Transport Network (OTN) that can serve both fixed and mobile network services is beneficial from the cost-saving perspective. However, the different types of services, require different network performance. The second part of the thesis focuses on the investigation of the converged OTN that can be flexibly and timely adjusted to satisfy varying service conditions. A programmable OTN featured with Wavelength Division Multiplexing (WDM) in the data plane and Software Defined Networking (SDN) in control plane has been proposed. To demonstrate the benefits of the converged OTN, the thesis also provides a multi-domain orchestration architecture for the multiple network services.  The resource orchestration, across three network domains: OTN, mobile network and cloud, enables agile service creation and optimized resource allocation among the multiple domains. / <p>QC 20170512</p>