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Analysis and Optimization of Resilient Routing in Core Communication Networks

Analyse und Optimierung von ausfallsicherem Routing in Kernkommunikationsnetzen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-101681
  • Routing is one of the most important issues in any communication network. It defines on which path packets are transmitted from the source of a connection to the destination. It allows to control the distribution of flows between different locations in the network and thereby is a means to influence the load distribution or to reach certain constraints imposed by particular applications. As failures in communication networks appear regularly and cannot be completely avoided, routing is required to be resilient against such outages, i.e.,Routing is one of the most important issues in any communication network. It defines on which path packets are transmitted from the source of a connection to the destination. It allows to control the distribution of flows between different locations in the network and thereby is a means to influence the load distribution or to reach certain constraints imposed by particular applications. As failures in communication networks appear regularly and cannot be completely avoided, routing is required to be resilient against such outages, i.e., routing still has to be able to forward packets on backup paths even if primary paths are not working any more. Throughout the years, various routing technologies have been introduced that are very different in their control structure, in their way of working, and in their ability to handle certain failure cases. Each of the different routing approaches opens up their own specific questions regarding configuration, optimization, and inclusion of resilience issues. This monograph investigates, with the example of three particular routing technologies, some concrete issues regarding the analysis and optimization of resilience. It thereby contributes to a better general, technology-independent understanding of these approaches and of their diverse potential for the use in future network architectures. The first considered routing type, is decentralized intra-domain routing based on administrative IP link costs and the shortest path principle. Typical examples are common today's intra-domain routing protocols OSPF and IS-IS. This type of routing includes automatic restoration abilities in case of failures what makes it in general very robust even in the case of severe network outages including several failed components. Furthermore, special IP-Fast Reroute mechanisms allow for a faster reaction on outages. For routing based on link costs, traffic engineering, e.g. the optimization of the maximum relative link load in the network, can be done indirectly by changing the administrative link costs to adequate values. The second considered routing type, MPLS-based routing, is based on the a priori configuration of primary and backup paths, so-called Label Switched Paths. The routing layout of MPLS paths offers more freedom compared to IP-based routing as it is not restricted by any shortest path constraints but any paths can be setup. However, this in general involves a higher configuration effort. Finally, in the third considered routing type, typically centralized routing using a Software Defined Networking (SDN) architecture, simple switches only forward packets according to routing decisions made by centralized controller units. SDN-based routing layouts offer the same freedom as for explicit paths configured using MPLS. In case of a failure, new rules can be setup by the controllers to continue the routing in the reduced topology. However, new resilience issues arise caused by the centralized architecture. If controllers are not reachable anymore, the forwarding rules in the single nodes cannot be adapted anymore. This might render a rerouting in case of connection problems in severe failure scenarios infeasible.show moreshow less
  • Routing stellt eine der zentralen Aufgaben in Kommunikationsnetzen dar. Es bestimmt darüber, auf welchem Weg Verkehr von der Quelle zum Ziel transportiert wird. Durch geschicktes Routing kann dadurch eine Verteilung der Verkehrsflüsse zum Beispiel zur Lastverteilung erreicht werden. Da Fehler in Kommunikationsnetzen nicht vollständig verhindert werden können, muss Routing insbesondere ausfallsicher sein, d.h., im Falle von Fehlern im Netz muss das Routing weiterhin in der Lage sein, Pakete auf alternativen Pfaden zum Ziel zu transportieren.Routing stellt eine der zentralen Aufgaben in Kommunikationsnetzen dar. Es bestimmt darüber, auf welchem Weg Verkehr von der Quelle zum Ziel transportiert wird. Durch geschicktes Routing kann dadurch eine Verteilung der Verkehrsflüsse zum Beispiel zur Lastverteilung erreicht werden. Da Fehler in Kommunikationsnetzen nicht vollständig verhindert werden können, muss Routing insbesondere ausfallsicher sein, d.h., im Falle von Fehlern im Netz muss das Routing weiterhin in der Lage sein, Pakete auf alternativen Pfaden zum Ziel zu transportieren. Es existieren verschiedene gängige Routingverfahren und Technologien, die sich hinsichtlich Ihrer Arbeitsweise, Ihrer Kontrollstrukturen und Ihrer Funktionalität in bestimmten Fehlerszenarien unterscheiden. Für diese verschiedenen Ansätze ergeben sich jeweils eigene Fragestellungen hinsichtlich der Konfiguration, der Optimierung und der Berücksichtigung von Ausfallsicherheit. Diese Doktorarbeit behandelt am Beispiel bestimmter Technologien einige konkrete Fragestellungen zur Analyse und Optimierung der Ausfallsicherheit. Sie liefert damit einen Beitrag zum besseren generellen Verständnis verschiedenartiger Routingansätze und deren unterschiedlichen Potentials für den Einsatz in zukünftigen Netzarchitekturen. Zuerst wird dezentrales Routing behandelt, basierend auf administrativen Linkgewichten und dem Prinzip der kürzesten Pfade, wie es beispielsweise in den Protokollen IS-IS und OSPF genutzt wird. Diese Routingverfahren beinhalteten automatische Rekonvergenz-Mechanismen um im Falle von Fehlern auf der verbleibenden Netzstruktur weiterhin einen Transport von Verkehr zu ermöglichen. Spezielle IP-Fast Reroute Mechanismen ermöglichen zudem eine schnelle Reaktion im Falle von Fehlern. Routing basierend auf Linkgewichten lässt sich nur indirekt durch die Wahl geeigneter Gewichte beeinflussen und optimieren. Die zweite in der Doktorarbeit behandelte Routingart ist MPLS-basiertes Routing, bei dem Labels für Pakete verwendet werden und Pakete anhand sogenannter vorkonfigurierter Label Switched Paths weitergeleitet werden. Diese Technologie bietet mehr Freiheiten bei der Wahl des Pfadlayouts, was aber wiederum im Allgemeinen einen erhöhten Konfigurationsaufwand mit sich bringt. Schließlich greift die Doktorarbeit auch das Routing in SDN Netzen auf. Dort erfolgt eine Trennung von Control Plane und Data Plane, so dass einzelne dedizierte Controller die Routingentscheidungen festlegen und ansonsten einfache Switches mit reduzierter Komplexität den Verkehr lediglich entsprechend der festgelegten Regeln weiterleiten. Dies ermöglicht die größte Freiheit bei der Konfiguration des Routing bringt aber wiederum neue Fragestellungen bedingt durch die zentralen Kontrolleinheiten mit sich.show moreshow less

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Metadaten
Author: David Rogér Hock
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-101681
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Mathematik und Informatik
Faculties:Fakultät für Mathematik und Informatik / Institut für Informatik
Referee:Prof. Dr.-Ing. Phuoc Tran-Gia
Date of final exam:2014/04/24
Language:English
ISSN:1432-8801
Year of Completion:2014
Series (Serial Number):Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme (02/14)
Pagenumber:175
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-10168
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
GND Keyword:Leistungsbewertung; Verteiltes System; Routing; Netzwerk; Optimierung
Tag:Optimization; Routing; Software Defined Networking
Release Date:2014/09/03
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht