Enhanced fault recovery methods for protected traffic services in GMPLS networks

Abstract

Les noves tecnologies a la xarxa ens permeten transportar, cada cop més, grans volums d' informació i trànsit de xarxa amb diferents nivells de prioritat. En aquest escenari, on s'ofereix una millor qualitat de servei, les conseqüències d'una fallada en un enllaç o en un node esdevenen més importants. Multiprotocol Lavel Switching (MPLS), juntament amb l'extensió a MPLS generalitzat (GMPLS), proporcionen mecanismes ràpids de recuperació de fallada establint camins, Label Switch Path (LSPs), redundants per ser utilitzats com a camins alternatius. En cas de fallada podrem utilitzar aquests camins per redireccionar el trànsit. El principal objectiu d'aquesta tesi ha estat millorar alguns dels actuals mecanismes de recuperació de fallades MPLS/GMPLS, amb l'objectiu de suportar els requeriments de protecció dels serveis proporcionats per la nova Internet. Per tal de fer aquesta avaluació s'han tingut en compte alguns paràmetres de qualitat de protecció com els temps de recuperació de fallada, les pèrdues de paquets o el consum de recursos. En aquesta tesi presentem una completa revisió i comparació dels principals mètodes de recuperació de fallada basats en MPLS. Aquest anàlisi inclou els mètodes de protecció del camí (backups globals, backups inversos i protecció 1+1), els mètodes de protecció locals i els mètodes de protecció de segments. També s'ha tingut en compte l'extensió d'aquests mecanismes a les xarxes òptiques mitjançant el pla de control proporcionat per GMPLS. En una primera fase d'aquest treball, cada mètode de recuperació de fallades és analitzat sense tenir en compte restriccions de recursos o de topologia. Aquest anàlisi ens dóna una primera classificació dels millors mecanismes de protecció en termes de pèrdues de paquets i temps de recuperació. Aquest primer anàlisi no és aplicable a xarxes reals. Per tal de tenir en compte aquest nou escenari, en una segona fase, s'analitzen els algorismes d'encaminament on sí tindrem en compte aquestes limitacions i restriccions de la xarxa. Es presenten alguns dels principals algorismes d'encaminament amb qualitat de servei i alguna de les principals propostes d'encaminament per xarxes MPLS. La majoria dels actual algorismes d'encaminament no tenen en compte l'establiment de rutes alternatives o utilitzen els mateixos objectius per seleccionar els camins de treball i els de protecció. Per millorar el nivell de protecció introduïm i formalitzem dos nous conceptes: la Probabilitat de fallada de la xarxa i l'Impacte de fallada. Un anàlisi de la xarxa a nivell físic proporciona un primer element per avaluar el nivell de protecció en termes de fiabilitat i disponibilitat de la xarxa. Formalitzem l'impacte d'una fallada, quant a la degradació de la qualitat de servei (en termes de retard i pèrdues de paquets). Expliquem la nostra proposta per reduir la probabilitat de fallada i l'impacte de fallada. Per últim fem una nova definició i classificació dels serveis de xarxa segons els valors requerits de probabilitat de fallada i impacte. Un dels aspectes que destaquem dels resultats d'aquesta tesi és que els mecanismes de protecció global del camí maximitzen la fiabilitat de la xarxa, mentre que les tècniques de protecció local o de segments de xarxa minimitzen l'impacte de fallada. Per tant podem assolir mínim impacte i màxima fiabilitat aplicant protecció local a tota la xarxa, però no és una proposta escalable en termes de consum de recursos. Nosaltres proposem un mecanisme intermig, aplicant protecció de segments combinat amb el nostre model d'avaluació de la probabilitat de fallada. Resumint, aquesta tesi presenta diversos mecanismes per l'anàlisi del nivell de protecció de la xarxa. Els resultats dels models i mecanismes proposats milloren la fiabilitat i minimitzen l'impacte d'una fallada en la xarxa.

New network technology enables increasingly higher volumes of information to be carried. Various types of mission-critical, higher-priority traffic are now transported over these networks. In this scenario, when offering better quality of service, the consequences of a fault in a link or node become more pronounced. Multiprotocol Label Switching (MPLS) and the extended Generalized MPLS (GMPLS) provide fast mechanisms for recovery from failures by establishing redundant Label Switch Paths as backup paths. With these backups, traffic can always be redirected in case of failure. The main objective of this thesis is to improve some of the current MPLS/GMPLS fault recovery methods, in order to support the protection requirements of the new Internet services. Some parameters, such as fault recovery time, packet loss or resource consumption, all within the scope of this quality of protection, are considered. In this thesis a review and detailed comparison of the MPLS fault recovery methods are presented. Path protection methods (global backups, reverse backups and 1+1 methods), as well as segment protection and local methods are included in this analysis. The extension of these mechanisms to optical networks using GMPLS control plane is also taken into account. In the first phase MPLS fault recovery methods are analyzed without taking into account resource or network topology constraints. This analysis reported a first classification of the best protection methods in terms of packet loss and recovery time. This first analysis cannot be applied to real networks. In real networks, bandwidth or network topology constraints can force a change in the a priori optimal protection choice. In this new scenario, current routing algorithms must be analyzed. The main aspects of the QoS routing methods are introduced, and some of these mechanisms are described and compared. QoS routing algorithms do not include protection as a main objective and, moreover, the same QoS objectives for selecting the working path are used for selecting the backup path. In order to evaluate the quality of protection, two novel concepts are introduced and analyzed: the network failure probability and the failure impact. The physical network provides an initial value of the network protection level in terms of network reliability and availability. A proposal to evaluate network reliability is introduced, and a formulation to calculate the failure impact (the QoS degradation in terms of packet loss and delay) is presented. A proposal to reduce the failure probability and failure impact as well as the enhancement of some current routing algorithms in order to achieve better protection are explained. A review of the traffic services protection requirements and a new classification, based on the failure probability and failure impact values, is also provided in this work. Results show that path protection schemes improve network reliability. Segment/local protection schemes reduce the network failure impact. Minimum impact with maximum reliability can be achieved using local protection throughout the entire network. However, it is not scalable in terms of resource consumption. In this case our failure probability evaluation model can be used to minimize the required resources. Results demonstrate the reduction of the failure impact combining segment protection and our network reliability evaluation model in different network scenarios. In summary, an in-depth analysis is carried out and a formulation to evaluate the network protection level is presented. This evaluation is based on network reliability maximization and failure impact reduction in terms of QoS degradation. A scalable proposal in terms of resource consumption, detailed and experimentally analyzed, offers the required level of protection in different network scenarios for different traffic services.