Thèse Année : 2023

ROUTING OPTIMIZATION AND RESOURCE ALLOCATION IN SOFTWARE-DEFINED ELASTIC MULTI-DOMAIN OPTICAL NETWORKS

OPTIMISATION DU ROUTAGE ET ALLOCATION DE RESSOURCES DANS LES RÉSEAUX OPTIQUES ÉLASTIQUES MULTI-DOMAINES DÉFINIS PAR LOGICIEL

Résumé

ROUTING OPTIMIZATION AND RESOURCE ALLOCATION IN SOFTWARE-DEFINED ELASTIC MULTI-DOMAIN OPTICAL NETWORKS In recent years, Internet traffic has increased due to the proliferation of applications such as streaming, cloud computing and the advent of the Internet of Things. To transmit this growing traffic, optical transport networks are ideal. This is where the optical network or Wavelength Division Multiplexing (WDM) came in, which allows multiple streams to be transmitted simultaneously. However, the use of fixed frequency bands by this technology wastes optical resources. To remedy this, researchers have proposed the Elastic Optical Network (EON) with the possibility of allocating frequency bands according to the needs of the connection demand. At the same time, the paradigm or Software Defined Networks (SDN) has emerged to automate and simplify network management, unlike the traditional architecture. Considering the advantages of elastic optical networks and software defined architecture, researchers have implemented the architecture of elastic optical networks defined by software. This results in the Software Defined Optical Networks (SDON) offering a centralized and programmable SDN controller. As Internet traffic increases, it becomes necessary to optimize routing and resource allocation to ensure end-to-end quality of service. This optimization can be done by minimizing latency, reducing energy consumption, minimizing the fragmentation rate in the network. However, how to optimize routing and resource allocation in software-defined elastic optical networks to ensure end-to-end QoS? To address this general problem, we have developed in this thesis new routing and resource allocation algorithms that minimize latency, reduce blocking probability by considering energy consumption and resource utilization in the network, the transmission delay. In our first contribution, we proposed an algorithm that optimizes routing and resource allocation in software-defined optical data center networks with the use of Virtual Extensible Local Area Networks (VXLANs). This allows for the implementation of social constructivist models while minimizing latency. We have tested our solution at the Cheikh Anta Diop xvi University of Dakar through physical optical equipment. Indeed, the university network of Senegal, comprising five universities, uses optical networks. This solution has considerably improved the latency by making the online courses and practical works fluid and synchronous in the context of covid-19. In our second contribution, we propose a fragmentation model to optimize the network resources and several algorithms to build sub-topologies considering parameters such as fragmentation rate, energy consumption and blocking probability. Our solution has allowed us to optimize the use of the network resources, to reduce the energy consumption of the network as well as the blocking probability compared to the existing models in the literature through the simulations that have been performed. In our third contribution, we propose different approaches. The first which selects the path with the lowest transmission delay while minimizing resource fragmentation and the second which selects the path with the lowest end-to-end transmission delay. Simulations have shown that selecting the path with the lowest transmission delay and minimizing the end-to-end fragmentation rate minimizes energy consumption, blocking probability and efficient use of spectral resources in software-defined elastic multi-domain optical networks.
Ces dernières années, le trafic Internet a augmenté en raison de la prolifération des applications telles que le streaming, le cloud computing et l'avènement de l’Internet des objets. Pour transmettre ce trafic croissant, les réseaux de transports optiques sont idéals. C’est dans cette optique qu’est apparu le réseau optique à multiplexage en longueur d’onde (Wavelength Division Multiplexing, WDM) qui permet de transmettre plusieurs flux simultanément. Cependant, l’utilisation des bandes de fréquences fixes par cette technologie entraîne un gaspillage des ressources optiques. Pour remédier à cela, les chercheurs ont proposé les réseaux optiques élastiques (Elastique Optical Networks, EON) avec la possibilité d’attribution de bandes de fréquences en fonction des besoins de la demande de connexion. Parallèlement est apparu le paradigme ou (Software Defined Networks, SDN) afin d’automatiser et simplifier la gestion réseau, contrairement à l’architecture traditionnelle. Considérant les avantages des réseaux optiques élastiques et de l’architecture définis par logiciel, des chercheurs ont couplé le SDN aux EON. Ce qui permet d’obtenir les réseaux optiques élastiques définis par logiciel ou (Software Defined Optical Networks, SDON) offrant un contrôleur SDN centralisé et programmable. Face à l’augmentation du trafic internet, il devient nécessaire d’optimiser le routage et l’allocation de ressources afin de garantir la qualité de service de bout en bout. Cette optimisation peut se faire au travers de la minimisation de la latence, la réduction de la consommation de l’énergie, la minimisation du taux de fragmentation dans le réseau. Cependant, comment optimiser le routage et l’allocation de ressources dans les réseaux optiques élastiques définis par logiciel afin de garantir la qualité de service de bout en bout ? Pour répondre à cette problématique générale, nous avons développé dans cette thèse de nouveaux algorithmes de routage et d’allocation de ressources qui minimisent la latence, réduisent la probabilité de blocage en considérant la consommation de l’énergie, l’utilisation des ressources dans le réseau, le délai de transmission. Dans notre première contribution, nous avons proposé un algorithme qui optimise le routage et l’allocation de ressources dans les réseaux de centres de données optiques définis par logiciel, avec l’utilisation des réseaux virtuels extensibles ou Virtual Extensible Local Area Network xiv (VxLAN). Cela permet la mise en oeuvre de modèle socioconstructiviste tout en minimisant le temps de latence. Nous testons notre solution à l’université Cheikh Anta Diop de Dakar à travers des équipements physiques optiques. En effet, le réseau universitaire du Sénégal comprenant cinq universités utilise les réseaux optiques. Cette solution a considérablement amélioré la latence en rendant fluide et synchrone les cours et travaux pratiques en ligne. Dans notre deuxième contribution, nous proposons un modèle de fragmentation en vue d’optimiser les ressources du réseau et plusieurs algorithmes de construction de sous-topologie tenant compte des paramètres tels que le taux de fragmentation, la consommation d'énergie et la probabilité de blocage. Notre solution a permis d'optimiser l'utilisation des ressources du réseau, de réduire la consommation d'énergie du réseau ainsi que la probabilité de blocage par rapport aux modèles existants dans la littérature à travers les simulations qui ont été réalisées. Dans notre troisième contribution, nous proposons différentes approches.la première qui sélectionne le chemin qui a le plus faible délai de transmission en minimisant la fragmentation des ressources et la deuxième qui sélectionne le chemin ayant le plus faible délai de transmission de bout en bout. Les simulations ont démontré que sélectionner le chemin qui a le plus faible délai de transmission et qui minimise le taux de fragmentation de bout en bout, permet de minimiser la consommation de l’énergie, la probabilité de blocage et une utilisation efficace des ressources spectrale dans les réseaux optiques élastiques multi-domaine définis par logiciel.
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Dates et versions

tel-04927607 , version 1 (03-02-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04927607 , version 1

Citer

Eba Victoire Kie. OPTIMISATION DU ROUTAGE ET ALLOCATION DE RESSOURCES DANS LES RÉSEAUX OPTIQUES ÉLASTIQUES MULTI-DOMAINES DÉFINIS PAR LOGICIEL. Informatique [cs]. Institut National Polytechnique Félix Houphouët-Boigny (INPHB), 2023. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04927607⟩
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