Optimizationin Optical Transport

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1 DISS. ETH No Availability Analysis and Optimizationin Optical Transport Networks A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGYZÜRICH for the degree of Doctor of Sciences presented by LING ZHOU MSEE, Southeast University, China born on Dec. 19, 1975 Citizen of China acceptedon the recommendationof Prof. Dr. A. Wittneben, examiner Dr. Urs Sennhauser,coexaminer 2007

2 Abstract In this work the connection availabilities of optical transport networks restorable to singlespan failures have been investigated. Consideringthe fast increase of data carricd by net works and the recent emphasis on hardcning them against natural disasters and terrorist activities, enhancing the robustness of the networks has become a priority for most Service Providers. However, the traditional approach of availability analyses is to determine the endtoend availability just for a few selected reference connections, which is no longer a good representative of network Performance and cannot be used to develop specific design recommendations for availability and network optimization. In addition, viable methods and exaet results about connectionavailabilities were providedonly for unprotected or dedicatedly protected networks. The analyses for distinet restoration schemes were condueted only from a general point of view of availability and have to rely on completely different and complicated approaches. A unified new concept of availability analysis is proposed in this dissertation and a practical method is developed to determine connectionavailabilities in a meshbased survivable network with various survivability schemes by assuming dualspan failures to be the only failure mode and an arbitrary allocation rule of spare capacity. According to this concept, basic computation modeis are built and validated both by simulations and by analytical approaches for the four most promisingsurvivabilityschemes at present, i.e. dedicatedautomatic protection switching, shared backuppath protection, span restoration and preconfigured protection cycles. The correspondingcomputational funetions are concluded for each scheine. Thus connection availabilities of all possible demand pairs can be exactly computed not only for networking using the simple dedicated protection scheine, but also for meshrestorablenetworks with shared spare capacity, for which only a rough estimate of the availability Performance could be made previously. The influence of various factors is then analyzed on connection availabilities and the average dualspan failure restorability. A network designed with a higher redundancy achieves better dualspan failure restorability, and always a small increase in redundancy can lead to a big restorabilitygrowth. Since the total investment is usually required to be kept as low as possible, several capacity designs of a spanrestorable network have been presented in this work to maximize the average network dualfailure restorability

3 under a given budget. This can assist network planncrs to optimize the dualspan failure restorabilityagainst investment costs. Some unavailabilityrelated measures have been developed, e.g. averagecxpected downtime or traffic loss per year of all connections for an assessment of the absolute network Performance and some composite measures for a Performance comparison of networks with different survivability schemes, like the ratio of the average connection availability to the network redundancy. Most of the Performance measures are of the same order of magnitude, though the scheme of shared backup path protection shows the best Performance with the most efficient capacity design. The quantitative connection availability, computed from the proposed new concept, can definitely help Service providers to set availability guarantees more exactly and safely in service level agreements (SLAs). Finally a theoretical basis is presented, by assuming different distributions of failures and repair times, to set "safety factors" of the availability guarantees for various contract periods in SLAs, which, in practice, are just based on empirical experience. It is shown that improving the overall system availability is not only a laudable end in itself, but makes it also less likely that an SLA guarantee is not fulfilled even with short contract periods. vi

4 gebildet. Zusammenfassung Diese Arbeit untersucht die Verfügbarkeit von Verbindungen in optischen Transportnetz werken, die beim Ausfall einer einzelnen Teilstrecke überlcbensfähig sind. In Anbetra cht der raschen Zunahme der transportierten Datenmengen in diesen Netzwerken und der neuen Bedeutung, Netzwerke gegen Naturkatastrophen und terroristische Aktivitäten zu schützen, ist die Verbesserung der Robustheit von Netzwerken für die meisten Ser viceanbieter zu einer Priorität geworden. Der bisherige Ansatz zur Analyse der Netz werkverfügbarkeit ist die Bestimmung der PunktzuPunktVerfügbarkeit von nur weni gen, ausgewählten Referenzverbin düngen. Dies ist keine geeingnete Darstellung der Leis tungsfähigkeit eines Netzwerkes mehr und kann nicht gebraucht werden für die Entwicklung spezifischer Empfehlungen für die Verbesserung der Netzwerke und ihrer Verfügbarkeit. Ausserdem wurden brauchbare Methoden und exakte Resultate zur Verfügbarkeit von Verbindungen nur für ungeschützte oder dediziert geschützte Netzwerke erarbeitet. Die Analysen für bestimmte Schutzstrategien wurden dabei aus einer allgemeinen Perspek tive der Verfügbarkeit durchgeführt und beruhten auf völlig unterschiedlichen und kom plizierten Ansätzen. Ein neues, vereinheitlichtes Konzept der Verfügbarkeitsanalyse wird in diese Arbeit vorgeschlagenund eine praktische Methode zur Bestimmung der Verfügbarkeit von Verbin dungenin vermaschten Netzwerken mit verschiedenenschutzstrategien entwickelt. Voraus setzung ist, dass der gleichzeitige Ausfall von zwei Teilstrecken die einzige Ausfallart ist, die Reservekapazitätjedoch nach einer beliebigen Regel zugeteilt werden kann. Gemäss diesem Konzept werden grundlegende Berechnungsmodelle für die vier zurzeit erfolgver sprechendstenschutzstrategien dedizierter automatischerpfadschutz, gemeinsamer Pfad schutz, Teilstreckenschutz und vorkonfigurierte Schutzzyklen Damit kann die Verfügbarkeit von allen Verbindungen exakt berechnetwerdenund zwar nicht nur für Netz werke mit einfachen dedizierten Schutzstrategien, sondern auch für vermaschte Netzwerke mit geteilter Reservekapazität, für die bisher nur grobe Schätzungen der Verfügbarkeit vorgenommen werden konnten. Die Validierung erfolgt durch Simulation und analytische Überprüfung. Im Weiteren wird der Einfluss verschiedener Faktoren auf die Verfügbarkeit von Verbin dungenund die Wiederherstellbarkeit beim Ausfall von zwei Teilstrecken analysiert. Dabei vii

5 auch zeigt sich, dass Netzwerke mit mehr Redundanz eine bessere Wiederherstellbarkeit erzielen und dass schon geringe Erhöhungen der Redundanz zu einem hohen Zuwachs der Wieder herstellbarkeitführen können. Weil die Investitionskosten normalerweiseso tief wie möglich um die durchschnittliche gehalten werden müssen, zeigen wir mehrere KapazitätsDesigns, Wiederherstellbarkeit eines Netzwerkes bei vorgegebenen Budget zu maximieren. Dies kann Nctzwerkplanern helfen, Wiederherstellbarkeit und Investitionskosten gegeneinander abzuwägen. Um die absolute Leistungsfähigkeit eines Netzwerkes zu bestimmen werdenverfügbar keitsmasse entwickelt wie zum Beispiel die durchschnittlich erwartete Ausfalldauer oder der Datenverlustaller Verbindungen pro Jahr. Zum Vergleich der Leistungsfähigkeit dienen auch zusammengesetzte Masse, wie zum Beispiel das Verhältnis der durchschnittlichen Verfügbarkeit aller Verbindungen zur Redundanz des gesamten Netzwerkes. Es zeigt sich, dass die meisten diesermasse für Netzwerke mit unterschiedlichen Schutzstrategien dieselbe Grössenordnung aufweisen, wobei die Strategie des gemeinsamen Pfadschutzeseine hohe Verfügbarkeit bei bester Kapazitätseffizienz aufweist. Die mit diesem neuen Konzept berechneten Verfügbarkeitenkönnen den Serviceanbie tern helfen, genauere und sicherere Verfügbarkeitsgarantien in ihren Dienstleistungsver einbarungen zu definieren. Solche Garantien beruhen bisher nur auf Erfahrungswerten. Mit einer theoretischen Betrachtung ist hier aufgezeigt, wie ein Sicherheitsfaktor für Verfügbar keitsgarantien in Dienstleistungsvereinbarungenmit unterschiedlichen Vertragslaufzeiten berechnet werden kann. Sie basiert auf exponentiell verteilten Zeiten bis zum Ausfall und beliebigen Verteilungsfunktionenfür die Reparaturzeiten. Damit wird nachgewiesen, dass eine Erhöhung der gesamten Verfügbarkeit auch dazu führt, dass die Wahrschein lichkeit kleiner wird, eine Verfügbarkeitsgarantie bei kurzen Vertragslaufzeiten nicht erfüllen zu können. vm

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