Plateformes d'automatisation natives en nuage (Cloud) des réseaux optiques

Cloud-native optical network automation platforms

• Auteur / Autrice : Van Quan Pham
• Direction : Djamal Zeghlache
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 31/05/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom SudParis (France)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Réseaux, Systèmes, Services, Sécurité / R3S-SAMOVAR - Institut Polytechnique de Paris / IP Paris - Département Réseaux et Services Multimédia Mobiles / RS2M
• Jury : Président / Présidente : Thomas Clausen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefano Secci, Marco Ruffini, Verchere Dominique, Le Rouzic Esther
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefano Secci, Marco Ruffini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Communication

Télécommunications optiques

Communication -- Analyse de réseau

Informatique dans les nuages

Intelligence artificielle

TMN (système de télécommunications)

Mots clés libres

Protocole de contrôle réseau

Réseau dématérialisé

Sécurité

Réseau optique

Automatisation

Sdn

Centre de données

Réseau

Cloud

Elastic optical systems

Cloud networking

Network control protocol

Optical networking

Network automation

Sdn

Datacenters

Networking

Cloud

Résumé

La gestion et le contrôle des communications optiques se transforment pour intégrer de nouvelles fonctionnalités telles que la gestion de réseau basée sur l'intention, l'automatisation du contrôle en boucle fermée et l'orchestration multipartite. Ces fonctionnalités sont motivées par les nouvelles exigences de connectivité entre les centres de données (datacenters) pour permettre le déploiement de futures générations de services telles que les applications au-delà de la 5G (Beyond 5G or B5G) et 6G offertes à la périphérie des réseaux optiques. La prochaine génération d'architectures de gestion et de contrôle des réseaux optiques comportera des principes de mise en réseau définie par logiciel (SDN) en relation avec la désagrégation des futurs systèmes optiques. Les contrôleurs et gestionnaires de réseaux optiques actuels sont intrinsèquement propriétaires et sont donc limités en termes d'ouverture, d'évolutivité et de flexibilité. Cette thèse de doctorat étudie et propose des architectures logicielles disruptives avec : (i) leurs fonctions de contrôle pour les systèmes optiques et (ii) leurs fonctions de gestion pour les services de connexion optique des réseaux optiques ouverts désagrégés. Après avoir presenté les architectures SDN dans le contexte et les contraintes des réseaux de commutation et de transmission optiques, la thèse explique les défis techniques des réseaux optiques actuels évoluant vers le contrôle des réseaux optiques partiellement désagrégés comme première étape de transition; et vers le contrôle des réseaux optiques entièrement désagrégés comme étape ultime. La nouvelles plates-formes logicielles d'automatisation des réseaux optiques avec leurs fonctions de contrôle basées sur des micro-services sont décrites de manière pragmatique en tenant compte des logiciels libres ainsi que de plusieurs forums de standardisation définissant leurs langages, leurs modèles de données et leurs protocoles pour les équipements, la topologie du réseau et les services de communication. Ensuite, la thèse décrit comment les fonctions de contrôle sont conçues comme des fonctions de réseau virtualisées permettant une intégration et un développement continus des plateformes de réseaux optiques natives en nuage (Cloud). Les fonctions de calcul de chemins de canal optique automatisées conçues comme des services sont d'abord abordées. Ces services de calcul de chemin de canal optique sont décrits en expliquant comment les contraintes de routage définies par l'évolution des fonctionnalités des systèmes optiques peuvent être intégrées dans les moteurs de calcul de chemin (PCE). Plusieurs algorithmes PCE pour le routage des canaux optiques et l'allocation sur la grille spectral sont présentés et leurs performances sont comparées en termes d'allocation bonne ou éventuellement optimale sur le spectre optique. A la suite des concepts de fonctions de calcul de chemin de canaux optiques automatisées en conçues comme des services , la thèse propose des fonctions de défragmentation automatisée des canaux optiques conçues comme des services pour réarranger les placements des canaux optiques afin d’obtenir une meilleure et éventuellement optimale utilisation de la grille de spectre optique pour gagner des ressources. A partir des évaluations de ces différentes fonctions de contrôle optique basées sur des conteneurs, plusieurs scénarios d'automatisation du contrôle des canaux optiques sont décrits pour prouver leurs concepts en utilisant un banc réseau dans un laboratoire, et pour démontrer les applications potentielles des VNF optiques. Enfin, la thèse conclut sur la synthèse de ces travaux de recherche et les défis futurs pour rendre le contrôle et la gestion des réseaux optiques plus unifiés et rationalisés afin de permettre aux communications optiques d'être conçues et d'être un atout conçues comme des services de connectivité pour les services de future génération.

Optical communication management and control are transforming to integrate new capabilities such as intent-based network management, closed-loop control automation, and multi-stakeholder orchestration. These capabilities are driven by the new connectivity requirements between data centers to enable future generations of services: Beyond 5G (B5G) and 6G applications offered at the edges of optical networks. The next generation of optical network management and control architectures will entail Software-Defined Networking (SDN) principles for the disaggregation of future optical systems. The current optical network controllers and managers are intrinsically proprietary and, consequently, restricted in openness, scalability, and flexibility. This Ph.D. thesis investigates and proposes breakthrough software architectures with: (i) their control functions for the optical systems and (ii) their management functions for optical connection services of Open Disaggregated Optical Networks. After explaining SDN architectures in the context and the constraints of optical switching and transmission networks, the thesis explains the challenges of current optical networks to transition towards the control of Partially Disaggregated Optical Networks as a first step and the control of Fully Disaggregated Optical Networks as the ultimate step. Novel software-defined optical network automation platforms with control functions based on micro-services are described pragmatically, considering open-source software frameworks and several open forums providing their languages and their data models. Their protocols are being developed for devices, network topology, and communication services. Next, the thesis described how control functions are designed as cloud-native network functions (CNF), enabling continuous integration and continuous development of cloud-native optical networking platforms. Automated optical channel path computation functions as services a re first addressed. These optical channel path computation services are described by explaining how the routing constraints defined by the evolutions of optical system capabilities can be integrated into the path computation engines (PCE). Several PCE algorithms for optical channel routing and spectrum allocation are presented, and their performances are compared in terms of reasonable or possibly optimal spectrum allocation.Subsequent to the concepts of automated optical channel path computation functions as services, the thesis proposes automated optical channel defragmentation functions as services to re-arrange the placements of optical channels for better and possibly optimal use of the spectrum grid to gain resources.From the evaluations of these different container-based optical control functions, several optical channel control automation scenarios are described to prove their concepts using a network bench in a lab and demonstrate the potential applications of optical CNFs.Finally, the thesis concludes with the synthesis of these research works and the future challenges to make the control and the management of optical networks more unified and streamlined to enable optical communications to be designed and an asset as connectivity services for future generation services.