Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας οπτικών ινών κατά την τελευταία δεκαετία, η υποδομή των τηλεπικοινωνιών έχει παρουσιάσει μία τρομερή ανάπτυξη στη χωρητικότητα εύρους ζώνης των δικτύων κορμού. Η ανάπτυξη αυτή ξεκίνησε με τα δίκτυα ευρείας περιοχής (WANs) που παρέχουν συνδεσιμότητα μεταξύ πόλεων μέσω των δικτύων μητροπολιτικής περιοχής (MANs), τα οποία συνδέουν τα τηλεπικοινωνιακά κέντρα των παρόχων υπηρεσιών. Ωστόσο, τα δίκτυα πρόσβασης, που εξυπηρετούν πολυάριθμους οικιακούς χρήστες, μικρές επιχειρήσεις και οργανισμούς, δεν έχουν αναπτυχθεί ανάλογα. Παρόλο που η πρόσφατη ανάπτυξη των πρωτοποριακών τεχνολογιών xDSL και CaTV έχει αναβαθμίσει σημαντικά το τμήμα αυτό, οι τεχνολογίες αυτές είναι ακόμη ανεπαρκείς για να καλύψουν την ολοένα και αυξανόμενη ζήτηση εύρους ζώνης των χρηστών. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, οι τεχνολογίες της οπτικής ίνας μέχρι το σπίτι/το πεζοδρόμιο/το κτίριο (Fiber To The Home/Curb/Building – FTTH/FTTC/FTTB) έχουν θεωρηθεί από καιρό ως μια προτιμώμενη λύση και τα παθητικά οπτικά δίκτυα (PONs) θεωρούνται ευρέως ως μία πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για την εφαρμογή διάφορων λύσεων FTTx. Η παρούσα διπλωματική εργασία αρχικά εισάγει το πρόβλημα σχετικά με την ανάγκη εφαρμογής οπτικών δικτύων πρόσβασης. Στη συνέχεια, εξετάζει πιθανές λύσεις στο πρόβλημα αυτό και αναδεικνύει τα παθητικά οπτικά δίκτυα (PONs) ως την καλύτερη επιλογή. Επιπλέον, γίνεται αναφορά στις διάφορες τεχνολογίες πολλαπλής πρόσβασης στα PONs (TDMA, OCDMA και WDMA). Η εφαρμογή της TDMA τεχνολογίας στα PONs αποδεικνύεται η πιο οικονομικά αποδοτική. Για τη χρήση της TDMA τεχνολογίας στα PONs αναπτύχθηκαν τα πρότυπα ATM PON (BPON), Ethernet PON (EPON) και Gigabit PON (GPON). Μετά από σχετική σύγκριση των προτύπων αυτών, το EPON θεωρείται η καλύτερη επιλογή για την εφαρμογή της TDMA τεχνολογίας στα PONs. Αυτή η διπλωματική εργασία στη συνέχεια εισάγει τις θεμελιώδεις έννοιες σχετικά με τα EPONs, εξετάζει τα κύρια ζητήματα που σχετίζονται με τη διάθεση εύρους ζώνης του ανοδικού καναλιού (από τον τελικό χρήστη προς το τηλεπικοινωνιακό κέντρο) στα συστήματα EPONs και παρουσιάζει μία επισκόπηση των πιο πρόσφατων αλγορίθμων δυναμικής διάθεσης εύρους ζώνης (Dynamic Bandwidth Allocation – DBA) για ανοδικές μεταδόσεις στα EPONs. Τέλος, γίνεται περιγραφή και υλοποίηση ενός εκ των πρώτων DBA αλγορίθμων που προτάθηκαν για τη διάθεση του ανοδικού εύρους ζώνης στα EPONs, του αλγορίθμου IPACT (Interleave Polling with Adaptive Cycle Time – IPACT). Κατά την περιγραφή, η limited service του αλγορίθμου IPACT προκύπτει ως η καλύτερη, με βάση διάφορα κριτήρια, μεταξύ των διάφορων υπηρεσιών αυτού του DBA αλγορίθμου και αποτελεί σημείο αναφοράς για μεταγενέστερες δημοσιευμένες εργασίες που υπάρχουν στη βιβλιογραφία. Η υλοποίηση περιλαμβάνει προσομοίωση της limited service του αλγορίθμου IPACT με χρήση της γλώσσας προσομοίωσης SIMSCRIPT II.5 και εξαγωγή αναλυτικών αποτελεσμάτων από εξισώσεις που μοντελοποιούν τη συμπεριφορά του αλγορίθμου, με χρήση της γλώσσας προγραμματισμού C. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης και της προσομοίωσης συγκρίνονται και προκύπτουν τα κατάλληλα συμπεράσματα. / With the development of fiber-optic technology over the last decade, the telecommunications infrastructure has shown a tremendous growth in the bandwidth capacity of backbone networks. This development began with the wide area networks (WANs) that provide connectivity between cities through the metropolitan area networks (MANs), which connect service providers’ central offices. However, access networks that serve numerous residential users, small businesses and organizations have not been developed accordingly. Although the recent development of innovative xDSL and CaTV technologies has significantly upgraded this segment, these technologies are still inadequate to meet the ever-increasing bandwidth demand of users. To address this problem, fiber to the home / curb / building (FTTH / FTTC / FTTB) technologies have long been regarded as a preferred solution, and passive optical networks (PONs) are widely regarded as a promising technology for implementing various FTTx solutions. This thesis first introduces the problem concerning the need for optical access networks. Then, examines possible solutions to this problem and highlights the passive optical networks (PONs) as the best option. Furthermore, a reference is made to the various multiple access technologies in PONs (TDMA, OCDMA and WDMA). The implementation of the TDMA technology in PONs proved the most cost-effective. The ATM PON (BPON), Ethernet PON (EPON) and Gigabit PON (GPON) standards have been developed for the use of the TDMA technology in PONs. Upon comparison of these standards, the EPON is considered the best option for the implementation of the TDMA technology in PONs. This thesis then introduces the fundamental concepts on EPONs, examines the major issues related to bandwidth allocation of the upstream channel (from the end user to the central office) in EPONs systems and presents a survey of the most recent dynamic bandwidth allocation (DBA) algorithms for upstream transmissions in EPONs. Finally, a description and an implementation are made of one of the first DBA algorithms proposed for upstream bandwidth allocation in EPONs, the IPACT (Interleave Polling with Adaptive Cycle Time - IPACT) algorithm. In the description, the limited service of the IPACT algorithm emerges as the best among the different services of this DBA algorithm according to various criteria and is a benchmark for subsequent published papers in the literature. The implementation includes the simulation of the limited service of the IPACT algorithm, using the SIMSCRIPT II.5 simulation language and extraction of analytical results from equations modeling the behavior of the algorithm, using the C programming language. The analysis and simulation results are compared and the appropriate conclusions arise.

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η μελέτη της τηλεπικοινωνιακής κίνησης σε οπτικά δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος. Στα πλαίσια της αποτίμησης της απόδοσής τους, υπολογίζεται η πιθανότητα φραγής κλήσης (Call Blocking Probability) για ένα σύνολο δοσμένων διαδρομών. Αφού αρχικά γίνεται αναφορά στην ιστορία και την εξέλιξη της τεχνολογίας των οπτικών ινών και των οπτικών δικτύων, το θέμα της εργασίας επικεντρώνεται στα οπτικά δίκτυα σταθερής δρομολόγησης και σταθερής εναλλακτικής δρομολόγησης. Γίνεται χρήση δύο αναλυτικών μοντέλων υπολογισμού της πιθανότητας απωλειών σε αυτά: το μοντέλο Birman και το μοντέλο Sridharan-Sivarajan, τα οποία υλοποιούνται στη γλώσσα προγραμματισμού C. Τα αποτελέσματα των μεθόδων ανάλυσης για συγκεκριμένα παραδείγματα συγκρίνονται με αυτά της προσομοίωσης, που υλοποιείται με χρήση της γλώσσας προσομοίωσης SIMSCRIPT II.5. Επιπρόσθετα, εξετάζεται η τεχνική της ομοιοκαταχώρησης τηλεπικοινωνιακής κίνησης (Traffic grooming) με προσομοίωση της λειτουργίας οπτικών δικτύων που κάνουν χρήση της τεχνικής αυτής. / The main objective of this diploma thesis is the study of the telecommunication traffic in Wavelength-Routed Optical Networks. In the frames of their performance evaluation, Call Blocking Probabilities for given routes are calculated. Firstly, the history and evolution of optical fibers and optical networks are described. Followingly, the present thesis is focused in Wavelength-Routed Optical Networks for two routing schemes: Fixed Routing and Fixed Alternate Routing. Two analytical models are used for the calculation of blocking probabilities for these optical networks: Birman model and Sridharan-Sivarajan model, which are realized in C programming language. Afterwards, both these analytical techniques and the simulation, which is realised in SIMSCRIPT II.5 simulation language, are applied in particular examples and their equivalent results are compared. In addition, the Traffic-Grooming technique is examined by simulating the operation of optical networks which use this specific technique.

Τα σύγχρονα παθητικά οπτικά δίκτυα (PONs) αποτελούν ίσως την πιο σημαντική επιλογή για την ανάπτυξη των μελλοντικών δικτύων ευρυζωνικής πρόσβασης στο παρόν και το μέλλον. Κύριοι λόγοι είναι το χαμηλό κόστος εφαρμογής τους, η απλή λειτουργία τους και υψηλά ποσοστά-ρυθμού μετάδοσης. Τα σύγχρονα Ethernet Passive Optical Networks (EPONs) και η εξέλιξή τους τα Gigabit PON (XGPON) έχουν τυποποιηθεί σε ταχύτητες της τάξεως των 10 Gb/s, ενώ τα επερχόμενα πρότυπα αναμένεται να αυξήσουν τη διαθέσιμη δυναμικότητα τους. Τα EPONs, ειδικότερα, καθιστούν δυνατή τη σύγκλιση των Ethernet δικτύων μεταξύ τους, η οποία βρίσκει ευρεία εφαρμογή σε τοπικά (local) και μέτρo (metro) δίκτυα περιοχής, και την υποδομή οπτικών ινών που εγκαθίσταται εντός του πεδίου εφαρμογής σε fiber-to-the-home (FTTH), την fiber-to-the-building (FTTB) και fiber-to-the-curb (FTTC) δίκτυα. Ακόμα όμως και για πρόσβαση μέχρι τους τελικούς χρήστες. Προτείνουμε ,μέσα από την παρούσα εργασία, μια νέα μέθοδο πρόβλεψης της κυκλοφορίας με σκοπό την ελαχιστοποίηση της καθυστέρησης πακέτων σε Ethernet Passive Optical Networks (EPON). Η μέθοδος βασίζεται στην παρακολούθηση της κυκλοφορίας στο Μονάδων Οπτικού Δικτύου (ONUs) και χρησιμοποιεί τις άμεσα διαθέσιμες πληροφορίες για την κυκλοφορία του δικτύου ώστε να προβλέψει τα δεδομένα που πρόκειται να συσσωρευτούν σε κάθε ONU στον επόμενο κύκλο. Έπειτα από σχετική έρευνα υλοποιήθηκε ο κατάλληλος αλγόριθμος και εξετάστηκε πειραματικά. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης δείχνουν ότι η βελτίωση της καθυστέρησης διάδοσης πακέτων (delay) μειώθηκε πάνω από 25% , χωρίς τροποποίηση του υπάρχοντος αλγορίθμου ανάθεσης εύρους ζώνης. Τέλος αποδείχθηκε η δικαιοσύνη (fairness) του αλγορίθμου στην παροχή πόρων του συστήματος ανάμεσα στις μονάδες ONU. / Modern passive optical networks (PONs) are perhaps the most important choice for the development of future broadband network in the present and the future . Main reason is the low cost of implementation, simple operation and high - transmission rate . Modern Ethernet Passive Optical Networks (EPONs) and the evolution of the Gigabit PON (XGPON) have standardized speeds of 10 Gb / s, while the upcoming standards expected to increase the available capacity . The EPONs, in particular , enable the convergence of Ethernet networks , which finds wide application in locally (local) and metro (metro) area networks , and fiber optic infrastructure installed within the scope of a fiber-to-the -home (FTTH), the fiber-to-the-building (FTTB) and fiber-to-the-curb (FTTC) networks . But even for access to the end users . We propose , through this work , a new prediction method of traffic in order to minimize the delay packets in Ethernet Passive Optical Networks (EPON). The method is based on monitoring the traffic on the Optical Network Units (ONUs) and uses readily available information about network traffic to provide the data to be accumulated at each ONU in the next cycle . After investigation, the appropriate algorithm was implemented and tested experimentally. Simulation results show that the improvement of packet propagation delay (delay) fell over 25 % , without modifying the existing bandwidth assignment algorithm . Finally turned justice (fairness) algorithm in providing system resources between units ONU.

Στην εργασία αυτή ασχολούμαστε με το πρόβλημα της δρομολόγησης ενός συνόλου αιτήσεων επικοινωνίας σε WDM (Wavelength Division Multiplexing) πλήρως οπτικά δίκτυα από την άποψη της θεωρίας παιγνίων. Αν θεωρήσουμε κάθε αίτηση δρομολόγησης (ζεύγος κόμβων αφετηρία-προορισμός) ως παίκτη, τότε μία στρατηγική περιλαμβάνει ένα μονοπάτι από τον κόμβο-αφετηρία στον κόμβο-προορισμό και μία συχνότητα (χρώμα). Λαμβάνοντας υπόψη τον περιορισμό ότι δύο παίκτες δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν την ίδια συχνότητα στην ίδια ακμή, θεωρούμε ότι το κόστος δύο αλληλοσυγκρουόμενων στρατηγικών είναι απαγορευτικά μεγάλο. Στο παραπάνω πλαίσιο, μελετάμε διάφορες φυσικές συναρτήσεις κόστους επικεντρώνοντας στην ύπαρξη αμιγών σημείων ισορροπίας Nash και στην υπολογιστική πολυπλοκότητα αναγνώρισης και υπολογισμού τους. / We consider the problem of routing a number of communication requests in WDM (wavelength division multiplexing) all-optical networks from the standpoint of game theory. If we view each routing request (pair of source-target nodes) as a player, then a strategy consists of a path from the source to the target and a frequency (color). To reflect the restriction that two requests must not use the same frequency on the same edge, conflicting strategies are assigned a prohibitively high cost. Under this formulation, we consider several natural cost functions focusing on the existence of Nash equilibria and on the complexity of recognizing and computing them.

Στις μέρες μας, οι αυξανόμενες απαιτήσεις για υπηρεσίες υψηλού φασματικού εύρους ζώνης επιβάλλουν την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών στο σχεδιασμό των δικτύων νέας γενιάς, ικανές να προσφέρουν α) χαμηλό κόστος κατά το σχεδιασμό του συστήματος, β) μεγάλη απόσταση μετάδοσης, γ) πολλοί χρήστες και δ) υψηλό εύρος ζώνης στην πλευρά του χρήστη για την παροχή των νέων υπηρεσιών. Ωστόσο, τα οπτικά δίκτυα λόγω των αναλογικών χαρακτηριστικών των οπτικών σημάτων τους, υποφέρουν από γραμμικές και μη γραμμικές παραμορφώσεις. Αυτές οι παραμορφώσεις επηρεάζουν άμεσα την απόδοση των συστημάτων και η επίδραση τους αυξάνει με την αύξηση του ρυθμού μετάδοσης. Παραδοσιακά χρησιμοποιούνται οπτικοί τρόποι για την εξομάλυνση των παραμορφώσεων. Ωστόσο, η ραγδαία ανάπτυξη στον τομέα των ηλεκτρονικών αναδεικνύει την ηλεκτρονική εξομάλυνση των παραμορφώσεων ως μία ευέλικτη, χαμηλού κόστους ολοκληρωμένη και βιώσιμη λύση που αποφεύγει τις επιπρόσθετες οπτικές απώλειες. Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η εξομάλυνση με αποδοτικό τρόπο των πιο σημαντικών παραμορφώσεων (χρωματική διασπορά, αυτοδιαμόρφωση φάσης και φαινόμενο αλληλουχίας φίλτρων) που δημιουργούνται στα οπτικά δίκτυα και ειδικότερα στα μητροπολιτικά δίκτυα, στα δίκτυα πρόσβασης, και στα παθητικά δίκτυα. Από σχεδιαστικής πλευράς του συστήματος, αυτή η διατριβή προτείνει τη βέλτιστη χρησιμοποίηση λύσεων χαμηλού κόστους, ικανές να επεκτείνουν (σε ρυθμό μετάδοσης και απόσταση) την χρησιμοποίησή τους σε οπτικά δίκτυα νέας γενιάς. Πιο συγκεκριμένα, η απόδοση της ηλεκτρονικής αντιστάθμισης μελετάται για συστήματα που χρησιμοποιούν χαμηλού κόστους, συμβατικούς πομπούς laser άμεσης διαμόρφωσης (DML), που οδηγούνται στα 10 Gb/s. Σκοπός σε αυτήν την περίπτωση είναι η αύξηση της απόστασης και του ρυθμού μετάδοσης που μπορεί να επιτευχθεί, εξομαλύνοντας τις παραμορφώσεις που δημιουργούνται εξαιτίας των χαρακτηριστικών των πομπών και αυτών που δημιουργούνται κατά τη μετάδοση του σήματος (χρωματική διασπορά, αυτοδιαμόρφωση φάσης και φαινόμενο αλληλουχίας φίλτρων) με την βέλτιστη χρησιμοποίηση ηλεκτρονικού εξισωτή. Επιπλέον, όσον αφορά τα παθητικά δίκτυα πρόσβασης νέας γενιάς, μελετάται μία αποδοτική και χρήσιμη τεχνική, χρησιμοποιώντας τα πλεονεκτήματα της χρήσης του ηλεκτρονικού εξισωτή στην πλευρά του δέκτη (OLT). Η πειραματική μελέτη εστιάζει στα παθητικά οπτικά δίκτυα (PON) στα 10 Gb/s χρησιμοποιώντας χαμηλού κόστους, χαμηλού εύρους ζώνης RSOA στην πλευρά του χρήστη (ONU), και ηλεκτρονικό εξισωτή στην πλευρά του δέκτη (OLT). Αυτή η τεχνική προσφέρει την απαιτούμενη ευελιξία για την προσαρμογή στις καινούργιες συνθήκες του συστήματος και την υλοποίηση των απαιτήσεων (πολύ μεγάλες αποστάσεις μετάδοσης, αριθμό χρηστών και ρυθμό μετάδοσης), ενώ ταυτόχρονα μπορεί και εκπληρώνει τις απαιτήσεις χαμηλού κόστους στην ανάπτυξη των μελλοντικών δικτύων πρόσβασης νέας γενιάς. / Nowadays, the rapid increase in bandwidth demanding services imposes new technological directions in the design of next generation optical networks with the purpose to achieve: a) reduced cost, b) larger transmission distances, c) larger number of users and d) higher bandwidth connectivity to the end user. However, due to the analogue nature of the optical signals, the optical networks suffer from a variety of linear and non-linear impairments. These impairments have a direct impact in the signal’s bit error rate performance, while their effect increases as bit rate increases. The compensation of impairments has been traditionally performed by optical means. However, the rapid increase in available electronic processing power has made electronic mitigation of impairments a viable option, leading to an adaptive, low cost and integrated solution which avoids additional optical losses. The goal of this thesis is to study the effective mitigation by electronic means of the most important impairments (i.e. chromatic dispersion, self phase modulation and filter concatenation) that are related with optical networks and particularly metropolitan, access and passive optical networks. From the network (and system) design point of view, this study proposes the optimum use of certain low cost solutions able to extend (in bit rate and coverage) the applicability of next generation optical networks. More specifically, the effectiveness of electronic equalization is examined for systems utilizing low cost, conventional directly modulated laser (DML) sources that are operated at 10 Gb/s. The purpose in this case is to extend the reach and operating data rate of these systems by mitigating the transmission limiting effects due to the source characteristics and the link impairments (dispersion, self-phase modulation, and filter concatenation) with the optimum use of electronic equalization. Moreover, with respect to next generation optical access networks an effective and useful design approach on PON systems is fully investigated, by using the benefits of electronic equalization at the receiver side (ΟLT). This experimental system studies are focusing on PON systems operated at 10 Gb/s by using low cost and low bandwidth RSOAs at the ONU side assisted by electronic equalization at the receiver (ΟLT). This technique offers the required flexibility for the optimum adaptation on the specific network characteristics (in terms of covered distance, number of users and bit rate) and additionally meets the requirements for the development and further extension of future low cost optical access networks.

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση και αξιολόγηση της απόδοσης των οπτικών δικτύων μεταγωγής ριπών με την μέθοδο της προσέγγισης μειωμένου φορτίου. Η μέθοδος αυτή είναι αρκετά ευέλικτη για να προσαρμοστεί σε ένα οπτικό δίκτυο μεταγωγής οπτικών ριπών το οποίο υιοθετεί 4 διαφορετικά είδη πολιτικών και οι οποίες είναι η JET, η κατάτμηση ριπής, όπως επίσης και δυο πολιτικές προτεραιοτήτων. Η ακρίβεια της μεθόδου επιβεβαιώνεται από την προσομοίωση και τέλος οι διάφορες πολιτικές συγκρίνονται μεταξύ τους. Το πρώτο κεφάλαιο αυτής της εργασίας έχει αφιερωθεί στο να εισάγει τον αναγνώστη σε βασικές έννοιες σχετικά με τις οπτικές ίνες και τα οπτικά δίκτυα από την πρώτη έως την τρίτη γενιά. Αναφέρεται στα τρία είδη οπτικής μεταγωγής που υπάρχουν και ακολούθως γίνεται μια σύγκριση αυτών των τεχνολογιών οπτικής μεταγωγής. Στο δεύτερο κεφάλαιο αυτής της εργασίας, γίνεται μια πιο ενδελεχής ανάλυση των δικτύων δρομολόγησης με οπτικές ριπές και παρουσιάζονται όλοι οι απαραίτητοι μηχανισμοί για την ύπαρξη και άρτια λειτουργία αυτών των δικτύων. Αναλυτικότερα, παρέχονται πληροφορίες για την επίλυση θεμάτων ανταγωνισμού και την σηματοδοσία την συναρμολόγηση των ριπών. Στη συνέχεια, στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση της μεθόδου προσέγγισης μειωμένου φορτίου για κλασσικά τηλεφωνικά δίκτυα. Σκοπός είναι να αναλυθεί εκτενώς ο τρόπος με τον οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί η μέθοδος αυτή σε οπτικά δίκτυα μεταγωγής οπτικών ριπών και τι απαραίτητες αλλαγές πρέπει να γίνουν για την κάθε πολιτική που εφαρμόζεται ξεχωριστά. Παράλληλα, για κάθε πολιτική παρέχονται πίνακες με αποτελέσματα όπως και γραφήματα για να γίνουν πιο κατανοητά τα αποτελέσματα της μεθόδου. Έπειτα, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της εργασίας όπως και διάφορες προτάσεις για το πώς μπορεί να αξιοποιηθεί η κάθε πολιτική με τον καλύτερο τρόπο. Τέλος στο τέταρτο κεφάλαιο παρατίθενται οι κώδικες των αναλυτικών μοντέλων για κάθε μια από τις πολιτικές που χρησιμοποιήθηκε σε γλώσσα προγραμματισμού C, έτσι ώστε αν θέλει ο αναγνώστης να έρθει σε επαφή και με το προγραμματιστικό περιβάλλον του δικτύου που υλοποιήθηκε. / The subject of this Diploma Thesis is the analysis and evaluation of the performance of Optical Burst Switching Networks by using the method of reduced load approximation. This method is flexible enough to be adjusted to the type of networks mentioned above which normally adopt four different kinds of policies, like the JET policy, the burst segmentation policy and also two policies of priorities. Thus, the main goal of this project is the confirmation of the accuracy of this method by performing the necessary simulations in order to compare these different policies. The first chapter of the project is dedicated to the task of making the reader familiar with the basic elements of the science of optical fibers and optical networks in general, all the way from the very first generation of them to the third one that is widely used at present. During this chapter, the three types of optical switching networks are described. These types are further examined next, during the second chapter, where a thorough analysis of network routing with optical bursts is performed. In addition, all the necessary mechanisms for the existence and well-functioning of these networks are presented. Specifically, a wide range of information related to the solving of competition issues and signaling for the assembly of the bursts, is given. Then, during the third chapter, the method of reduced load approximation is presented for the classic telephony networks. This method can be used in optical burst switching networks, and different variations of it are used, according to each separate policy that is followed. Result tables accompanied by the appropriate charts are supplied in order to clarify the results of this method. Next, the results of this Diploma Thesis are aggregated and accompanied by proposals about reclaiming each policy the best way. In the last chapter, the programming codes of each analytical model of these four optical networks policies, expressed in the programming language C, are supplied, giving the reader the chance to get in touch with the programming environment that was used in order to derive the optical network that was simulated.

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη τηλεπικοινωνιακής κίνησης και η αποτίμηση της επίδοσης OCDMA δικτύων ως προς την πιθανότητα φραγής κλήσης. Αρχικά γίνεται αναφορά στην εξέλιξη και τις ιδιότητες των οπτικών ινών και των οπτικών δικτύων. Στη συνέχεια περιγράφονται τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες των OCDMA συστημάτων. Ακολούθως χρησιμοποιούνται αναλυτικά μοντέλα, τα οποία υλοποιούνται στη γλώσσα προγραμματισμού C, για τον υπολογισμό των πιθανοτήτων φραγής κλήσης σε συγκεκριμένα οπτικά δίκτυα στα οποία υφίσταται μία υπηρεσία (service class). Τα αποτελέσματα των μεθόδων ανάλυσης συγκρίνονται με τα αποτελέσματα της αντίστοιχης προσομοίωσης που υλοποιείται με χρήση της γλώσσας προσομοίωσης SIMSCRIPT ΙΙ.5. Τέλος, η προναφερθείσα διαδικασία πραγματοποιείται για οπτικά δίκτυα πρόσβασης υπό την παρουσία πολλών υπηρεσιών και επιπρόσθετων ειδών θορύβου. / The objective of this thesis is the study of telecommunications traffic and the progress evaluation of OCDMA networks. In the first place,my essay starts with presentation of optical fiber technology.At the second chapter we focus on the characteristics of OCDMA systems.Finally,using analytical models,we calculate the blocking probabilities in certain optical networks that support one service class. The analytical results are compared with the relevant simulation results. Moreover,the above procedure applies for optical access networks with many service classes plus extra kinds of additive noise.

Κατά την διάδοση του σήματος στα οπτικά δίκτυα η ποιότητα του λαμβανόμενου σήματος εξασθενεί λόγω των διαφόρων ειδών απωλειών που υπεισέρχονται κατά τη μετάδοση. Οι κυριότερες εξ’ αυτών είναι: ο θόρυβος λόγω των οπτικών ενισχυτών, η διαφωνία, η χρωματική διασπορά, η διασπορά τρόπων πόλωσης, η μείξη τεσσάρων κυμάτων, η αυτοδιαμόρφωση φάσης κτλ. Προκειμένου να επιτευχθεί αποδεκτή ποιότητα λαμβανόμενου σήματος στον δέκτη είναι απαραίτητη, ιδιαίτερα για μεγάλα μονοπάτια, η χρήση οπτικών 3R αναγεννητών σε κάποιους ενδιάμεσους κόμβους για την περιοδική αναμετάδοση του σήματος. Στην παρούσα διπλωματική εργασία σχεδιάζονται και υλοποιούνται στατικοί αλγόριθμοι δρομολόγησης και ανάθεσης μηκών κύματος για ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα. Συγκεκριμένα, θεωρώντας μια δικτυακή τοπολογία, έναν αριθμό διαθέσιμων μηκών κύματος, μια μήτρα κίνησης και μια (αραιή) τοπολογία 3R αναγεννητών για το εξεταζόμενο δίκτυο (ή εκφράζοντάς το διαφορετικά έναν αριθμό ελεύθερων πομποδεκτών για κάθε κόμβο του δικτύου) επιχειρείται η μεγιστοποίηση του αριθμού των συνδέσεων που μπορούν να επιτευχθούν, διατηρώντας παράλληλα την επιθυμητή ποιότητα μετάδοσης. Έτσι, το πρόβλημα της επιλογής της ακολουθίας των αναγεννητών μέσα από τους οποίους θα δρομολογηθεί η κάθε αδιαφανής αίτηση σύνδεσης, μοντελοποιείται σαν ένα πρόβλημα εικονικής τοπολογίας (virtual topology problem). Στην συνέχεια το πρόβλημα αυτό επιλύεται με τη βοήθεια μιας σειράς αλγορίθμων από πολύπλοκους που βασίζονται σε σχηματισμούς ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού (Integer Linear Programming – ILP) έως απλούστερους αλλά πάντα πρακτικούς ως προς την εύρεση λύσης, ευριστικούς αλγόριθμους. Ύστερα από την επιλογή της ακολουθίας των χρησιμοποιούμενων αναγεννητών για κάθε αδιαφανή αίτηση σύνδεσης, η μήτρα κίνησης μετασχηματίζεται σε μια ισοδύναμη διαφανή, όπου κάθε αδιαφανής αίτηση έχει αντικατασταθεί από μια σειρά διαφανών συνδέσεων που τερματίζουν και ξεκινούν από τους συγκεκριμένους 3R κόμβους αναγέννησης. Ακολούθως, εφαρμόζεται ένας διαφανής IA-RWA αλγόριθμος για τη μετασχηματισμένη μήτρα κίνησης, ενώ τυχόν συνδέσεις που μποκάρονται ύστερα από την εφαρμογή του διαφανή αλγορίθμου επαναδρομολογούνται χρησιμοποιώντας τους υπολοιπόμενους αναγεννητές. Η Ποιότητα Μετάδοσης (Quality of Transmission QoT) των δημιουργουμένων lightpaths υπολογίζεται με τη βοήθεια ενός εκτιμητή της παραμέτρου Q του κάθε lightpath. Για την μοντελοποίηση των φυσικών περιορισμών του δικτύου χρησιμοποιούνται αναλυτικές φόρμουλες. Η απόδοση του προτεινόμενου αλγορίθμου υπολογίστηκε διεξάγοντας εξομοιώσεις για μια παραλλαγή του DTnet δικτύου εισάγοντας τη μοναδιαία μήτρα κίνησης. Η απόδοση του αλγορίθμου κρίνεται ικανοποιητική όχι μόνο για μεσαία, αλλά και για μεγάλης κλίμακας δίκτυα παρέχοντας βέλτιστες λύσεις. Το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου εκτέλεσης του αλγορίθμου, οφείλεται στον υπολογισμό του διαφανούς IA-RWA αλγόριθμου της δεύτερης φάσης. Σχετικά με την απόδοση των εξεταζόμενων αλγορίθμων της πρώτης φάσης, φαίνεται ότι ο αλγόριθμος που παρουσιάζει τα καλύτερα αποτελέσματα είναι αυτός που ελαχιστοποιεί τον μέγιστο αριθμό των χρησιμοποιούμενων αναγεννητών μεταξύ των διαφορετικών κόμβων αναγέννησης του σήματος. / Physical impairments in optical fiber transmission necessitate the use of regeneration at certain intermediate nodes, at least for certain lengthy lightpaths. We design and implement impairment-aware algorithms for routing and wavelength assignment (IA-RWA) in translucent optical networks. We focus on the offline version of the problem, where we are given a network topology, the available wavelengths, a traffic matrix and a (sparse) placement of 3R regenerators in the network (or, in a slightly different setting, the number of available transceivers at each network switch), and we aim at maximizing the number of connections served with adequate quality of transmission. We formulate the problem of choosing the sequence of regenerators to be used by non-transparent connections as a virtual topology design problem, and address it using various algorithms, ranging from an integer linear program (ILP) to simple heuristic algorithms. Once the sequence of regenerators to be used has been determined, we transform the traffic matrix by replacing non-transparent connections with a sequence of transparent connections that terminate and begin at the specified 3R intermediate nodes. Using the transformed matrix we then apply an IA-RWA algorithm designed for transparent (as opposed to translucent) networks to route the traffic. Connections that are blocked are re-routed using any remaining regenerator(s).

Τα σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα οπτικών ινών χρησιμοποιούν την τεχνολογία WDM Wavelength Division Multiplexing) η οποία έχει κάνει εφικτή την αξιοποίηση – ως ένα βαθμό– του τεράστιου εύρους ζώνης της οπτικής ίνας. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας θα παρουσιαστούν οι τρεις βασικές οπτικές αρχιτεκτονικές μεταγωγής (οπτική μεταγωγή κυκλώματος –OCS–, οπτική μεταγωγή πακέτου –OPS–, οπτική μεταγωγή ριπής–OBS–) οι οποίες μετατρέπουν τη διαθέσιμη χωρητικότητα σε ωφέλιμο throughput. Ιδιαίτερη έμφαση θα δοθεί στην αρχιτεκτονική OBS, η οποία έχει τραβήξει το ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, σαν μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική της (ώριμης πλέον) αρχιτεκτονικής OCS. Συγκεκριμένα, θα διερευνηθεί η μετάδοση του TCP πρωτοκόλλου πάνω από OBS δίκτυα μέσα από λεπτομερείς προσομοιώσεις, και θα προταθούν κατάλληλες βελτιώσεις της αρχιτεκτονικής OBS. Ακόμα, θα περιγραφεί μια πρωτότυπη υβριδική αρχιτεκτονική οπτικής μεταγωγής ριπής. / Internet traffic has faced an exploding growth in recent years. The ever-growing demand for multimedia web services, as well as the advent of P2P technology, are driving core networks to their limits. This calls for the design of high capacity core networks, being able to serve the user’s high bandwidth requests. Optical networks have become a key part of the solution, mainly due to the vast capacity of optical fibers. Specifically, the advent of WDM technology has resulted in transmission capacities that have increased manifold in recent years. It is the router/switch throughput, however, that really transforms the raw bit rates into effective bandwidth. In this diploma thesis, we study the three basic optical architectures, that is Optical Circuit Switching (OCS), Optical Packet Switching (OPS) and Optical Burst Switching (OPS). Emphasis is given on OBS architecture, which has drawn research interest in recent year, as a possible replacement for the well-established OCS architecture. Specifically, we will study the transmission of TCP traffic over OBS networks through simulation, and propose modifications for the OBS architecture. Finally, a novel hybrid switch architecture will be proposed, combining the merits of OBS and OCS.

Τα δίκτυα πλέγματος (grid networks) αποτελούνται από ένα σύνολο ισχυρών υπολογιστικών, αποθηκευτικών και άλλων πόρων. Οι πόροι αυτοί είναι συνήθως γεωγραφικά αλλά και διοικητικά διασκορπισμένοι και συνδέονται με ένα δίκτυο δεδομένων. Τα δίκτυα πλέγματος το τελευταίο καιρό έχουν αποκτήσει μία δυναμική, η οποία εντάσσεται μέσα σε ένα γενικότερο πλαίσιο, αυτό της κατανεμημένης επεξεργασίας και αποθήκευσης δεδομένων. Επιστήμονες, ερευνητές αλλά και απλοί χρήστες χρησιμοποιούν από κοινού τους κατανεμημένους πόρους για την εκτέλεση διεργασιών ή τη χρήση εφαρμογών, για τις οποίες δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν τους τοπικά διαθέσιμους υπολογιστές τους λόγω των περιορισμένων δυνατοτήτων τους. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζουμε ζητήματα που σχετίζονται με το χρονοπρογραμματισμό (scheduling) των διεργασιών στους διαθέσιμους πόρους, καθώς και με τη δρομολόγηση (routing) των δεδομένων που οι διεργασίες χρειάζονται. Εξετάζουμε τα ζητήματα αυτά είτε χωριστά, είτε σε συνδυασμό, μελετώντας έτσι τις αλληλεπιδράσεις τους. Αρχικά, προτείνουμε ένα πλαίσιο παροχής ποιότητας υπηρεσιών στα δίκτυα πλέγματος, το οποίο μπορεί να εγγυηθεί σε ένα χρήστη μία μέγιστη χρονική καθυστέρηση εκτέλεσης των διεργασιών του. Με τον τρόπο αυτό, ένας χρήστης μπορεί να επιλέξει με απόλυτη βεβαιότητα εκείνον τον υπολογιστικό πόρο που μπορεί να εκτελέσει τη διεργασία του πριν τη λήξη της προθεσμίας της. Το προτεινόμενο πλαίσιο δεν στηρίζεται στην εκ των προτέρων δέσμευση των υπολογιστικών πόρων, αλλά στο ότι οι χρήστες μπορούν να αυτό-περιορίσουν το ρυθμό δημιουργίας διεργασιών τους, ο οποίος συμφωνείται ξεχωριστά με κάθε πόρο κατά τη διάρκεια μίας φάσης εγγραφής τους. Πραγματοποιούμε έναν αριθμό πειραμάτων προσομοίωσης που αποδεικνύουν ότι το προτεινόμενο πλαίσιο μπορεί πράγματι να παρέχει στους χρήστες εγγυημένο μέγιστο χρόνο καθυστέρησης εκτέλεσης των διεργασιών τους, ενώ με τις κατάλληλες επεκτάσεις το πλαίσιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμα και όταν το φορτίο των διεργασιών δεν είναι εκ των προτέρων γνωστό. Στη συνέχεια εξετάζουμε το πρόβλημα της ``Συγκέντρωσης Δεδομένων'' (ΣΔ), που εμφανίζεται όταν μία διεργασία χρειάζεται περισσότερα του ενός τμήματα δεδομένων να μεταφερθούν σε έναν υπολογιστικό πόρο, πριν η διεργασία ξεκινήσει την εκτέλεσή της σε αυτόν. Μελετάμε τα υπό-προβλήματα της επιλογής των αντιγράφων των δεδομένων, του χρονοπρογραμματισμού της διεργασίας και της δρομολόγησης των δεδομένων της και προτείνουμε έναν αριθμό πλαισίων ``Συγκέντρωσης Δεδομένων''. Μερικά πλαίσια εξετάζουν μόνο τις υπολογιστικές ή μόνο τις επικοινωνιακές απαιτήσεις των διεργασιών, ενώ άλλα εξετάζουν και τα δύο είδη απαιτήσεων. Επιπλέον, προτείνονται πλαίσια ``Συγκέντρωσης Δεδομένων'' τα οποία βασίζονται στην κατασκευή ελαχίστων γεννητικών δέντρων(Minimum Spanning Tree - MST), με σκοπό τη μείωση της συμφόρησης στο δίκτυο δεδομένων, που εμφανίζεται κατά την ταυτόχρονη μεταφορά των δεδομένων μίας διεργασίας. Στα πειράματα προσομοίωσης μας αξιολογούμε τα προτεινόμενα πλαίσια και δείχνουμε ότι αν η διαδικασία της ``Συγκέντρωση Δεδομένων'' πραγματοποιηθεί σωστά, τότε η απόδοση του δικτύου πλέγματος, όσον αφορά τη χρήση των πόρων και την εκτέλεση των διεργασιών, μπορεί να βελτιωθεί. Επιπλέον, ερευνούμε την εφαρμογή τεχνικών σύνοψης της πληροφορίας των χαρακτηριστικών των πόρων στα δίκτυα πλέγματος. Προτείνουμε ένα σύνολο μεθόδων και τελεστών σύνοψης, προσπαθώντας να μειώσουμε τον όγκο των πληροφοριών πόρων που μεταφέρονται πάνω από το δίκτυο, ενώ παράλληλα επιθυμούμε οι συνοπτικές πληροφορίες που παράγονται να βοηθούν το χρονοπρογραμματιστή να παίρνει αποδοτικές αποφάσεις ανάθεσης διεργασιών στους διαθέσιμους πόρους. Οι τεχνικές αυτές μπορούν να συνδυαστούν και με τις αντίστοιχες τεχνικές που εφαρμόζονται στα ιεραρχικά δίκτυα δεδομένων για τη δρομολόγηση, εξασφαλίζοντας έτσι τη διαλειτουργικότητα μεταξύ διαφορετικών δικτύων πλέγματος καθώς και το απόρρητο των πληροφοριών που ανήκουν σε διαφορετικούς παρόχους πόρων. Στα πειράματα προσομοίωσης μας χρησιμοποιούμε σαν μετρική της ποιότητας / αποδοτικότητας των αποφάσεων του χρονοπρογραμματιστή τον Stretch Factor (SF), που ορίζεται ως ο λόγος της μέσης καθυστέρησης εκτέλεσης των διεργασιών όταν αυτές χρονοπρογραμματίζονται με βάση ακριβείς πληροφορίες πόρων, προς τη μέση καθυστέρηση τους όταν χρησιμοποιούνται συνοπτικές πληροφορίες. Ακόμα, μετράμε τη συχνότητα με την οποία ο χρονοπρογραμματιστής ενημερώνεται για τις αλλαγές στην κατάσταση των πόρων καθώς και τον όγκο των πληροφοριών πόρων που μεταφέρονται. Μελετάμε, ακόμα, ζητήματα που προκύπτουν από την υλοποίηση αλγορίθμων χρονοπρογραμματισμού που έχουν αρχικά μελετηθεί σε περιβάλλοντα προσομοίωσης, σε πραγματικά συστήματα ενδιάμεσου λογισμικού (middleware) για δίκτυα πλέγματος, όπως το gLite. Το πρώτο ζήτημα που εξετάζουμε είναι το γεγονός ότι οι πληροφορίες που παρέχονται στους αλγορίθμους χρονοπρογραμματισμού στα συστήματα αυτά δεν είναι πάντα έγκυρες, ενώ το δεύτερο ζήτημα είναι ότι δεν υπάρχει ευελιξία στο διαμοιρασμό των πόρων μεταξύ διαφορετικών διεργασιών. Η μελέτη μας δείχνει ότι με απλές αλλαγές στους μηχανισμούς διαχείρισης διεργασιών ενός συστήματος ενδιάμεσου λογισμικού, αυτά αλλά και άλλα ζητήματα μπορούν να αντιμετωπιστούν, επιτυγχάνοντας σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση των δικτύων πλέγματος. Στα πλαίσια αυτά μάλιστα, εξετάζουμε τη χρήση της τεχνολογίας της εικονικοποίησης (virtualization). Υλοποιούμε και αξιολογούμε τους προτεινόμενους μηχανισμούς σε ένα μικρό δοκιμαστικό δίκτυο πλέγματος. Τέλος, προτείνουμε έναν αλγόριθμο πολλαπλών κριτηρίων για τη δρομολόγηση και ανάθεση μήκους κύματος υπό την παρουσία φυσικών εξασθενήσεων (Impairment-Aware Routing and Wavelength Assignment, IA-RWA) για οπτικά δίκτυα δεδομένων. Τα οπτικά δίκτυα είναι η δικτυακή τεχνολογία που χρησιμοποιείται σήμερα για τη διασύνδεση των υπολογιστικών και αποθηκευτικών πόρων των δικτύων πλέγματος, ενώ οι διάφορες φυσικές εξασθενήσεις τείνουν να μειώνουν την ποιότητα μετάδοσης (Quality of Transmission - QoT) των οπτικών σημάτων. Κύριο χαρακτηριστικό του προτεινόμενου αλγορίθμου είναι ότι υπολογίζει την ποιότητα μετάδοσης (Quality of Transmission - QoT) ενός υποψήφιου οπτικού μονοπατιού (lightpath) μη βασιζόμενο σε πραγματικές μετρήσεις ή εκτιμήσεις μέσω αναλυτικών μοντέλων των διαφόρων φυσικών εξασθενήσεων, αλλά μετρώντας τις αιτίες στις οποίες αυτά οφείλονται. Με τον τρόπο αυτό ο αλγόριθμος γίνεται πιο γενικός και εφαρμόσιμος σε διαφορετικές συνθήκες (μέθοδοι διαμόρφωσης του οπτικού σήματος, ρυθμοί μετάδοσης, τιμές διαφόρων φυσικών παραμέτρων, κ.α.). Τα πειράματα προσομοίωσης μας δείχνουν ότι ο προτεινόμενος αλγόριθμος μπορεί να εξυπηρετήσει τις περισσότερες δυναμικές αιτήσεις σύνδεσης, υπολογίζοντας γρήγορα, μονοπάτια με καλή ποιότητα μετάδοσης σήματος. Γενικά, η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει έναν αριθμό σημαντικών και καινοτόμων μεθόδων, πλαισίων και αλγορίθμων που αφορούν τα δίκτυα πλέγματος. Παράλληλα ωστόσο αποκαλύπτει το εύρος των ζητημάτων και ως ένα βαθμό και τις αλληλεπιδράσεις τους, που σχετίζονται με την αποδοτική λειτουργία των δικτύων πλέγματος, τα οποία απαιτούν τη σύνθεση και τη συνεργασία ερευνητών, μηχανικών και επιστημόνων από διάφορα πεδία. / Grid networks consist of several high capacity, computational, storage and other resources, which are geographically distributed and may belong to different administrative domains. These resources are usually connected through high capacity optical networks. The grid networks evolution follows the current trend of distributedly performed computation and storage. This trend provides several new possibilities to scientists, researchers and to simple users around the world, so as to use the shared resources for executing their tasks and running their applications. These operations are not always possible to perform in local, limited capacity, resources. In this thesis we study issues related to the scheduling of tasks and the routing of their datasets. We study these issues both separately and jointly, along with their interactions. Initially, we present a Quality of Service (QoS) framework for grids that guarantees to users an upper bound on the execution delay of their submitted tasks. Such delay guarantees imply that a user can choose, with absolute certainty, a resource to execute a task before its deadline expires. Our framework is not based on the advance reservation of resources, instead, the users follow a self constrained task generation pattern, which is agreed separately with each resource during a registration phase. We validate experimentally the proposed Quality of Service (QoS) framework for grids, verifying that it satisfies the delay guarantees promised to users. In addition, when the proposed extensions are used, the framework also provides delay guarantees without exact a-priori knowledge of the task workloads. Next, we examine a task scheduling and data migration problem for grid networks, which we refer to as the Data Consolidation (DC) problem. Data Consolidation arises when a task requests concurrently multiple pieces of data, possibly scattered throughout the grid network that have to be present at a selected site before the task's execution starts. In such a case, the scheduler must select the data replicas to be used, the site where these data will be gathered for the task to be executed, and the routing paths to be followed. We propose and experimentally evaluate several Data Consolidation schemes. Some consider only the computational or only the communication requirements of the tasks, while others consider both kinds of requirements. We also propose Data Consolidation (DC) schemes, which are based on Minimum Spanning Trees (MST) that route concurrently the datasets so as to reduce the congestion that may appear in the future, due to these transfers. In our simulation experiments we validate the proposed schemes and show that if the Data Consolidation operation is performed efficiently, then significant benefits can be achieved, in terms of the resources' utilization and task delay. We also consider the use of resource information aggregation in grid networks. We propose a number of aggregation schemes and operators for reducing the information exchanged in a grid network and used by the resource manager in order to make efficient scheduling decisions. These schemes can be integrated with the schemes utilized in hierarchical data networks for data routing, providing interoperability between different grid networks, while the sensitive or detailed information of resource providers is kept private. We perform a large number of experiments to evaluate the proposed aggregation schemes and the used operators. As a metric of the quality of the aggregated information we introduce the Stretch Factor (SF), defined as the ratio of the task delay when the task is scheduled using complete resource information over the task delay when an aggregation scheme is used. We also measure the number of resource information updates triggered by each aggregation scheme and the amount of resource information transferred. In addition, we are interested in the difficulties encountered and the solutions provided in order to develop and evaluate scheduling policies, initially implemented in a simulation environment, in the gLite grid middleware. We identify two important such implementation issues, namely the inaccuracy of the information provided to the scheduler by the information system, and the inflexibility in the sharing of a resource among different jobs. Our study indicates that simple changes in the gLite's scheduling procedures can solve these and other similar issues, yielding significant performance gains. We also investigate the use of the virtualization technology in the gLite middleware. We implement and evaluate the proposed mechanisms in a small gLite testbed. Finally, we propose a multicost impairment-aware routing and wavelength assignment (IA-RWA) algorithm in optical networks. In general, physical impairments tend to degrade the optical signal quality. Also, optical networks is the main networking technology used today for the interconnection of the grid's, computational and storage, resources around the world. The main characteristic of the proposed algorithm is that it calculates the quality of transmission (QoT) of a candidate lightpath by measuring several impairment-generating source parameters and not by using complex formulas to directly account for the effects of physical impairments. In this way, this approach is more generic and more easily applicable to different conditions (modulation formats, bit rates). Our results indicate that the proposed impairment-aware routing and wavelength assignment (IA-RWA) algorithm can efficiently serve the online traffic in an optical network and to guarantee the transmission quality of the found lightpaths, with low running times. In general, in this thesis we present several novel mechanisms and algorithms for grid networks. At the same time, this Thesis reveals the variety of the issues that relate to the efficient operation of the grid networks and their interdependencies. For handling all these issues the cooperation of researches, scientists and engineers from various fields, is required.