- / -

- / -

The main purpose of the present work is to develop an innovative system for Structural Health Monitoring (SHM) of aerospace composite structures based on dynamic strain measurements in order to identify in an exhaustive way the structural state condition. Fiber Bragg Grating (FBG) optical sensors will be used for the recording of dynamic strain measurements from a composite structure. The methodology that will be developed for structural damage detection will use the collected dynamic response data and will analyze them through a statistical data-driven learning model, i.e. an artificial neural network, coupled with wavelet multi-resolution analysis. This methodology will be the core of the SHM system. Structural damage will be initially simulated by slightly varying the mass properties of the structure. As a second step, actual damage was introduced to the structure. The structural dynamic behavior has been numerically simulated and experimentally verified by means of vibration testing. The analysis of operational dynamic responses will be employed to identify both the damage and its position. / Αντικείμενο της διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός συστήματος παρακολούθησης βλάβης για αεροδιαστημικές κατασκευές με αισθητήρες οπτικών ινών (Fiber Bragg Grating, FBG) με χρήση μετρήσεων δυναμικής απόκρισης και τεχνικών επεξεργασίας σήματος. Οι αισθητήρες οπτικών ινών FBG χρησιμοποιούνται ως αισθητήρες ανίχνευσης παραμόρφωσης, εκμεταλλευόμενοι την μεταβολή του μήκους κύματος του φωτός που διέρχεται από αυτούς κατά την διαστολή ή τη συστολή τους. Η απλή μονότροπη τηλεπικοινωνιακή οπτική ίνα εκτίθεται σε συγκλίνουσες δέσμες UV laser light. Οι δέσμες αυτές όταν διασταυρώνονται παρεμβάλλει η μια την άλλη, μεταβάλλουν μέρος της δομής της οπτικής ίνας και αλλάζουν περιοδικά τον δείκτη διάθλασης δημιουργώντας διαφορετικές περιοχές υψηλού και χαμηλού δείκτη διαθλάσεως στον πυρήνα της ίνας. Η τροποποιημένη ζώνη της ίνας λειτουργεί σαν οπτικό φίλτρο, αντανακλώντας μια ελάχιστη ποσότητα του ευρυζωνικού σήματος, επιτρέποντας παράλληλα στο υπόλοιπο φως να συνεχίσει την πορεία του μέσα στην ίνα. Αυτή η τροποποιημένη περιοχή είναι ευαίσθητη στην τάση εφελκυσμού και στις μεταβολές θερμοκρασίας. Πλεονεκτήματα των αισθητήρων FBG είναι τα ακόλουθα: Απρόσβλητοι στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, απαιτούν μηδενική ενέργεια, προσφέρουν μακροχρόνια σταθερότητα, προσφέρουν ευκολία και χαμηλό κόστος εγκατάστασης, έχουν πολύ μικρές διαστάσεις, μεγάλη ακρίβεια και σχεδόν μηδενικό βάρος, μπορούν να σχηματίσουν συστοιχίες πολλαπλών οπτικών αισθητήρων σε μία μόνο οπτική ίνα (multiplexing) και μπορεί να γίνει ενσωμάτωσή τους σε σύνθετα υλικά. Οι αισθητήρες οπτικών ινών FBG μέχρι σήμερα χρησιμοποιούνται μόνο για στατικές μετρήσεις. Οι στόχοι της παρούσας διατριβής είναι οι ακόλουθοι: Χρήση αισθητήρων οπτικών ινών FBG για μετρήσεις δυναμικής απόκρισης με σκοπό την παρακολούθηση καλής λειτουργίας και την εύρεση βλάβης κατασκευών από σύνθετα υλικά. Εκτέλεση ειδικά επιλεγμένων μηχανικών δοκιμών σε τρία είδη κατασκευών, αεροναυπηγικών και αεροδιαστημικών, από lab-scale κατασκευή σε πραγματική αεροδιαστημική κατασκευή. Διερεύνηση της καταλληλότερης τοπολογίας αισθητήρων οπτικών ινών στη σύνθετη κατασκευή και διερεύνηση του καταλληλότερου τρόπου τοποθέτησής τους. Ανάπτυξη του συστήματος παρακολούθησης βλάβης των κατασκευών με βάση αρχικά προσομοιωμένη βλάβη (μεταβάλλοντας το μητρώο μάζας της κατασκευής) και στα τελευταία στάδια πειραμάτων, με βάση πραγματική βλάβη (ρωγμή) στις στρώσεις του σύνθετου υλικού. Ανάπτυξη και εφαρμογή καινοτόμων τεχνικών επεξεργασίας για τα σήματα παραμόρφωσης βασιζόμενες στο μετασχηματισμό κυματιδίων. Ανάπτυξη στατιστικών δεικτών ευαίσθητων στην παρουσία βλάβης από την επεξεργασία των σημάτων των αισθητήρων FBG. Εκπαίδευση και επαλήθευση τεχνητού νευρωνικού δικτύου με βάση επιλεγμένους δείκτες για εύρεση βλάβης (μέγεθος βλάβης και τοποθεσία). Διερεύνηση και ανάπτυξη μεθόδου διάγνωσης βλάβης βασισμένο σε πειραματική modal ανάλυση μέσω των σημάτων παραμόρφωσης από τους αισθητήρες οπτικών ινών Fiber Bragg Gratings. Πειραματική modal ανάλυση μέσω των σημάτων παραμόρφωσης και υπολογισμός των ιδιομορφών παραμόρφωσης της κατασκευής μέσω των FBG σημάτων.

Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η τεχνοοικονομική σύγκριση των δυο αρχιτεκτονικών, ADSL και οπτικών δικτύων και η εξαγωγή συμπερασμάτων για τα σχετικά κόστη και δυνατότητες που αφορούν τις αρχιτεκτονικές αυτές. Οι τελευταίες τεχνολογίες καθώς και οι αυξημένες απαιτήσεις σε χωρητικότητα και ταχύτητα, οδήγησαν σε λύσεις που συνδυάζουν διαφορετικά είδη τεχνολογιών, κυρίως υβριδικές τεχνολογίες, που προσφέρουν τεράστιες δυνατότητες με περιορισμένο κόστος ανά bit. Για τις απαιτήσεις της εποχής η τεχνολογία FTTx (Fiber To The x) και οι διάφορες παραλλαγές της, αποτελούν πολύ υποσχόμενες τεχνολογίες πρόσβασης που προσφέρονται ως βάσεις για τη δημιουργία μεγάλων και αξιόπιστων δικτύων που μπορούν να εξυπηρετήσουν μεγάλο αριθμό πελατών. Ωστόσο, οι πλέον υποσχόμενες τεχνολογίες είναι οι τεχνολογίες FTTx, οι οποίες υλοποιούνται αποκλειστικά με οπτικές ίνες. Όπως θα δούμε σε ήδη υπαρκτά δίκτυα, τα δίκτυα αναμορφώνονται και εξελίσσονται από παλαιότερες τεχνολογίες, αναβαθμίζονται σταδιακά, χωρίς να σημαίνει ότι οι παλαιότερη τεχνολογία μένει σε αχρηστία αμέσως μετά τις αναβαθμίσεις. Γίνονται αναφορές σε περιπτωσιολογικές μελέτες που πρέπει να γίνουν ώστε να είναι όσο το δυνατό πιο εύχρηστο και προσπελάσιμο ένα δίκτυο ενός μητροπολιτικού κέντρου. Η εργασία αυτή ολοκληρώνεται με συναρτήσεις κόστους, για την ολοκλήρωση ενός τέτοιου δικτύου, που εξάγονται υλοποιούνται με χρήση του εργαλείου Matlab. / The primary objective of this work is the techno economic comparison between ADSL and optic fiber networks, the export of conclusions on the relative costs and the capabilities that concern these architectures. The secondary objective is understanding the process of constructing an optical fiber nework. The latest technologic improvements as well as the increased requirements in speed and capacity, lead to solutions that combine different technologies types mainly hybrid technologies, which offer enormous possibilities with limited cost per bit. For present day requirements FTTx (Fiber the The x) can serve a large share of customers as base for creating bigger and more reliable networks. However, this promising technology is exclusively for only optical fiber based FTTx. As it will be shown through examples of already founded networks, they can be reformed and evolved from older technologies, can be progressively upgraded to mach the bandwidth and user capacity of future networks Case studies are performed in order to determine the best case of optical network that should satisfy consumers and telecommuters. This thesis is completed with the research of total cost functions which are imported in Matlab. The cost reports are exported and compared in the form of graphic cost charts.

Η ραγδαία αύξηση της κίνησης στο διαδίκτυο έχει δημιουργήσει ολοένα και μεγαλύτερη ζήτηση για ευρυζωνικά δίκτυα. Τα δίκτυα οπτικών ινών είναι μια κατηγορία ευρυζωνικών δικτύων που υπόσχονται ευέλικτες και ικανές να υποστηρίξουν πληθώρα υπηρεσιών, δικτυακές επικοινωνίες με θεωρητικά απεριόριστη χωρητικότητα. Πλέον, τα οπτικά δίκτυα δεν καλύπτουν μόνο το βασικό δίκτυο κορμού, αλλά εκτείνονται μέχρι τον τοπικό βρόχο αλλά και την κατοικία των τελικών χρηστών. Έτσι, τα οπτικά δίκτυα πρόσβασης FTTx και οι διάφορες τεχνολογίες τους όπως PON, AON και Home Run εφαρμόζονται στις δικτυακές υποδομές που αναπτύσσονται από το κεντρικό γραφείο του δικτύου της περιοχής κάλυψης μέχρι το συνδρομητή. Η παρούσα εργασία μελετά τεχνικά θέματα που αφορούν κυρίως το εξωτερικό τμήμα των FTTH δικτύων, δηλαδή των FTTx μέχρι το σπίτι, όπως η υποδομή σωληνώσεων, καλωδίων, τάφρων, φρεατίων, κ.λπ. Τα στοιχεία αυτά προκαλούν τα υψηλότερα κόστη στο δίκτυο πρόσβασης (κόστη CAPEX) και για αυτό το λόγο δίνεται ιδιαίτερη έμφαση σε αυτά. Εκτός από αυτά, υπάρχουν και τα OPEX κόστη, που δεν ασχολούμαστε εκτενώς στα πλαίσια της εργασίας. Επίσης, στην εργασία παρουσιάζεται μια μεθοδολογία για την επιχειρησιακή μελέτη σε δίκτυα FTTH, στην οποία παρουσιάζονται τα στάδια για την οικονομική μελέτη ανάπτυξης των δικτύων. Ο βασικός στόχος της εργασίας είναι η υλοποίηση ενός μοντέλου που αυτοματοποιεί τη διαδικασία σχεδιασμού των υπόγειων FTTH δικτύων πρόσβασης, που χρησιμοποιούν την τεχνολογία Home Run. Το μοντέλο χρησιμοποιεί στοιχεία από γεωγραφικό σύστημα πληροφοριών GIS για το σχεδιασμό του δικτύου, κάνει τους κατάλληλους υπολογισμούς στοιχείων υποδομών με βάση αλγορίθμους και προδιαγραφές και στο τέλος με είσοδο τους πίνακες κόστους των στοιχείων δίνει τις δαπάνες για την ανάπτυξη των υποδομών. Πριν από την ανάπτυξη του μοντέλου, περιγράφονται απλά θεωρητικά γεωμετρικά μοντέλα που μπορούν να απεικονίσουν ένα υπόγειο και εναέριο FTTH δίκτυο. Το μοντέλο εκτελείται σε τρεις περιοχές της Αττικής, που έχουν διαφορετικές πυκνότητες κτιρίων και νοικοκυριών με σκοπό τον ακριβή προσδιορισμό των τελικών κοστών ανά περιοχή. Επιπλέον, μπορούν να υπολογιστούν τα κόστη ανά νοικοκυριό, κτίριο, μονάδα μήκους των τάφρων και γενικά υπόγειων υποδομών. Η αποτύπωση του εξωτερικού δικτύου των περιοχών, των στοιχείων υποδομών, των εξοπλισμών και των τελικών δαπανών τους γίνεται με πλήρως αυτοματοποιημένο τρόπο. / The rapid growth of Internet traffic has created increasing demand for broadband networks. Fiber optic networks are a category of broadband networks that promise flexible and capable for supporting various services, network communications with limitless capacity. Plus, the optical networks do not only cover the core backbone network, but extend to the local loop and the households of end users. Thus, FTTx optical access networks and their various technologies such as PON, AON, and Home Run are implemented in the network infrastructure, which is developed from the central office of the coverage area network to the subscriber. This diploma thesis examines the technical issues related mainly to the outside plant of FTTH networks (FTTx up to the household), such as infrastructure ducts, cables, trenches, holes, etc. These elements rise to higher costs in the access network (CAPEX costs) and for this reason, special emphasis is placed on them. Apart from these, there are OPEX costs. Also, the thesis presents a methodology for the business study of FTTH networks, which shows the stages to study for the economic development of networks. The main aim of this work is to implement a model that automates the design of underground FTTH access networks, that use Home Run technology. The model uses data from Geographical Information System (GIS) for network design, makes the appropriate calculations, based on data infrastructure algorithms and specifications and in the end returns the total costs for infrastructure development based on material cost tables. Before the development of the model, there are descriptions of simple geometric models that can represent an underground and aerial FTTH network. The model runs on three areas of Attica, that have different densities of buildings and households in order to accurately determine the final cost per area. Moreover, they can calculate the cost per household, building, length unit of trenches and other underground infrastructure. The representation of the external network, elements, data infrastructure, equipment and final expenditure is fully automated.

Οι τεχνολογίες κατανεμημένου υπολογισμού, όπως τα δίκτυα πλέγματος και οι υποδομές Νέφους, έχουν διαμορφώσει πλέον ένα καινούργιο περιβάλλον σχετικά με τον τρόπο που εκτελούνται οι εργασίες των χρηστών, αποθηκεύονται τα δεδομένα και γενικότερα χρησιμοποιούνται οι εφαρμογές. Τα δίκτυα πλέγματος αποτέλεσαν το επίκεντρο της σχετικής ερευνητικής δραστηριότητας για μεγάλο χρονικό διάστημα, με βασικό στόχο τη δημιουργία υποδομών για την εκτέλεση ερευνητικών εφαρμογών με πολύ υψηλές υπολογιστικές και αποθηκευτικές απαιτήσεις. Ωστόσο είναι πλέον προφανές ότι υπάρχει μια στροφή προς τις υποδομές Νέφους που προσφέρουν υπηρεσίες κατανεμημένου υπολογισμού και αποθήκευσης μέσω πλήρως διαχειρίσιμων πόρων. Η συγκεκριμένη μετάβαση έχει ως αποτέλεσμα μια μετατόπιση από το μοντέλο των πολλών και ισχυρών πόρων που βρίσκονται κατανεμημένοι σε διάφορες περιοχές του κόσμου (όπως στα δίκτυα πλέγματος) προς σχετικά λιγότερα αλλά πολύ μεγαλύτερα ως προς το μέγεθος κέντρα δεδομένων τα οποία αποτελούνται από χιλιάδες υπολογιστικούς πόρους οι οποίοι φιλοξενούν ακόμη περισσότερες εικονικές μηχανές. Η έρευνα που διεξάγαμε ακολούθησε αυτή την αλλαγή, μελετώντας αλγοριθμικά θέματα για δίκτυα πλέγματος και υποδομές Νεφών και αναπτύσσοντας μια σειρά από εργαλεία και εφαρμογές που διαχειρίζονται, παρακολουθούν και αξιοποιούν τους πόρους που προσφέρουν οι συγκεκριμένες υποδομές. Αρχικά, μελετούμε τα ζητήματα που προκύπτουν κατά την υλοποίηση αλγορίθμων χρονοπρογραμματισμού, που είχαν προηγουμένως μελετηθεί σε περιβάλλοντα προσομοίωσης, σε ένα πραγματικό σύστημα ενδιάμεσου λογισμικού για δίκτυα πλέγματος, και συγκεκριμένα το gLite. Το πρώτο ζήτημα που αντιμετωπίσαμε είναι το γεγονός ότι οι πληροφορίες που παρέχει το ενδιάμεσο λογισμικό gLite στους αλγορίθμους χρονοπρογραμματισμού δεν είναι πάντα έγκυρες, γεγονός που επηρεάζει την αποδοσή τους. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος αναπτύξαμε ένα εσωτερικό, στο χρονοπρογραμματιστή, μηχανισμό που καταγράφει τις αποφάσεις του σχετικά με ποιές εργασίες ανατέθηκαν σε ποιούς υπολογιστικούς πόρους και λειτουργεί συµπληρωµατικά µε την υπηρεσία πληροφοριών του gLite. Επιπλέον, εξετάζουμε το ζήτημα του δίκαιου διαμοιρασμού της υπολογιστικής χωρητικότητας ενός πόρου στις εργασίες που έχουν ανατεθεί σε αυτόν. Για το σκοπό αυτό, επεκτείνουμε το ενδιάμεσο λογισμικό gLite ώστε να περιλαμβάνει ένα νέο μηχανισμό που μέσω της αξιοποίησης της τεχνολογίας εικονικοποίησης επιτρέπει τον ταυτόχρονο διαμοιρασμό της υπολογιστικής χωρητικότητας ενός κόμβου σε πολλές εργασίες. Στην συνέχεια εξατάζουμε το πρόβλημα της συνδυασμένης μεταφοράς πολλαπλών εικονικών μηχανών σε σύγχρονες υπολογιστικές υποδομές. Πιο συγκεκριμένα, προτείνουμε μια μεθοδολογία που στοχεύει στην καλύτερη χρησιμοποίηση των διαθέσιμων υπολογιστικών και δικτυακών πόρων, λαμβάνοντας υπόψη στις αποφάσεις σχετικά με τη συνδυασμένη μεταφορά εικονικών μηχανών τις αλληλεξαρτήσεις που δημιουργούνται από την επικοινωνία τους. Η προτεινόμενη μεθοδολογία χρησιμοποιεί την προσέγγιση πολλαπλών κριτηρίων για την επιλογή των εικονικών μηχανών που θα μετακινηθούν, αναθέτοντας διαφορετικά βάρη στα διάφορα κριτήρια ενδιαφέροντος. Επιπλέον, επιλέγει τους υπολογιστικούς κόμβους όπου οι μετακινούμενες εικονικές μηχανές θα φιλοξενηθούν, λαμβάνοντας υπόψη τον τρόπο με τον οποίο οι μετακινήσεις επηρεάζουν τις λογικές (ή εικονικές) τοπολογίες που σχηματίζονται από την επικοινωνία τους και αντιμετωπίζοντας τη συγκεκριμένη επιλογή ως ένα πρόβλημα αναδιάρθρωσης λογικών τοπολογιών. Η αξιολόγηση επιβεβαίωσε τη δυνατότητα της μεθοδολογίας να επιλύει, μέσω των κατάλληλων μετακινήσεων, ένα σημαντικό αριθμό προβλημάτων που οφείλονται σε ελλείψεις υπολογιστικών ή επικοινωνιακών πόρων, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τον αριθμό των μετακινήσεων και την προκαλούμενη επιβάρυνση του δικτύου. Το επόμενο θέμα που εξετάζουμε αφορά το πρόβλημα της ανάλυσης δεδομένων επικοινωνίας μεταξύ εικονικών μηχανών οι οποίες φιλοξενούνται σε ένα κέντρο δεδομένων. Προτείνουμε και αξιολογούμε, μέσω της ανάλυσης δεδομένων από ένα πραγματικό κέντρο δεδομένων, την εφαρμογή μετρικών και τεχνικών από τη θεωρία ανάλυσης κοινωνικών δικτύων για τον προσδιορισμό σημαντικών εικονικών μηχανών, για παράδειγμα εικονικές μηχανές οι οποίες απαιτούν περισσότερο εύρος ζώνης σε σχέση με άλλες, και ομάδων εικονικών μηχανών που συσχετίζονται με κάποιο τρόπο μεταξύ τους. Μέσω της συγκεκριμένης προσέγγισης έχουμε τη δυνατότητα να εξάγουμε σημαντικές πληροφορίες οι οποίες μπορούν να αξιοποιηθούν για τη λήψη καλύτερων αποφάσεων σχετικά με τη διαχείριση του πολύ μεγάλου πλήθους των εικονικών μηχανών που φιλοξενούνται στα σύγχρονα κέντρα δεδομένων. Στη συνέχεια προσδιορίζουμε τρόπους με τους οποίους οι πληροφορίες παρακολούθησης που συλλέγονται από τη λειτουργία μιας δημόσιας υποδομής Υπολογιστικού Νέφους, και ιδίως από την υπηρεσία Amazon Web Services (AWS), μπορούν να χρησιμοποιηθούν με ένα αποδοτικό τρόπο προκειμένου να εξάγουμε πολύτιμες πληροφορίες, που μπορούν να αξιοποιηθούν από τους τελικούς χρήστες για την αποτελεσματικότερη διαχείριση των εικονικών πόρων τους. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζουμε το σχεδιασμό και την υλοποίηση ενός εργαλείου ανοιχτού κώδικα, του SuMo, στο όποιο έχουμε υλοποίησει όλη την απαραίτητη λειτουργικότητα για τη συλλογή και ανάλυση δεδομένων παρακολούθησης από την υπηρεσία AWS. Επιπλέον, προτείνουμε ένα μηχανισμό για τη βελτιστοποίηση του κόστους και της αξιοποίησης (Cost and Utilization Optimization - CUO) των εικονικών υπολογιστικών πόρων της υπηρεσίας AWS. Ο μηχανισμός CUO χρησιμοποιεί πληροφορίες (πλήθος, ακριβή χαρακτηριστικά, ποσοστό αξιοποίησης) για τους διαθέσιμους εικονικούς πόρους ενός χρήστη και προτείνει ένα νέο (βέλτιστο) σύνολο πόρων που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την αποδοτικότερη εξυπηρέτηση του ίδιου φορτίου εργασίας με μειωμένο κόστος. Τέλος, παρουσιάζουμε την υλοποίηση ενός ολοκληρωμένου εργαλείου, που ονομάζουμε Mantis, για το σχεδιασμό και τη λειτουργία των μελλοντικών ευέλικτων (flex-grid) οπτικών δικτύων που υποστηρίζει επιπλέον οπτικά δίκτυα σταθερού πλέγματος τόσο μοναδικού ρυθμού μετάδοσης όσο και πολλαπλών ρυθμών μετάδοσης. Οι χρήστες έχουν τη δυνατότητα να καθορίζουν δικτυακές τοπολογίες, απαιτήσεις κίνησης, παραμέτρους για το κόστος απόκτησης και λειτουργίας των δικτυακών συσκευών, ενώ επιπλέον έχουν πρόσβαση σε αρκετούς αλγορίθμους για το σχεδιασμό, λειτουργία και αξιολόγηση διαφόρων οπτικών δικτύων. Το εργαλείο έχει σχεδιαστεί ώστε να μπορεί να λειτουργεί είτε ως υπηρεσία (Software as a Service) είτε ως κλασσική εφαρμογή (Desktop Application). Λειτουργώντας ως υπηρεσία παρέχει κλιμάκωση με βάση τις απαιτήσεις των χρηστών, αξιοποιώντας τα πλεονεκτήματα των υποδομών Υπολογιστικού Νέφους, εκτελώντας γρήγορα και αποτελεσματικά τις εργασίες των χρηστών. Για τη λειτουργία αυτή, μπορεί να χρησιμοποιεί τόσο δημόσιες υποδομές Υπολογιστικού Νέφους όπως η υπηρεσία Amazon Web Services (AWS) και η υπηρεσία της ΕΔΕΤ (~okeanos), όσο και ιδιωτικές που βασίζονται στο OpenStack. Επιπλέον, η αρθρωτή αρχιτεκτονική και η υλοποίηση των διαφόρων λειτουργικών τμημάτων επιτρέπουν την εύκολη επέκταση του εργαλείου ώστε να υποστηρίζει μελλοντικά περισσότερες υποδομές Υπολογιστικού Νέφους. / Distributed computing technologies, like grids and clouds, shape today a new environment, regarding the way tasks are executed, data are stored and retrieved, and applications are used. Though grids and desktop grids have been the focus of the research community for a long time, a shift has become evident today towards cloud and virtualization related technologies in general, which are supported by large computing factories, namely the data centers. As a result there is also a shift from the model of several powerful resources distributed at various locations in the world (as in grids) towards fewer huge data centers consisting of thousands of “simple” computers that host Virtual Machines. The research performed over the course of my PhD followed this shift, investigating algorithmic issues in the context of grids and then of clouds and developing a number of tools and applications that manage, monitor and utilize these kinds of resources. Initially, we describe the steps followed, the difficulties encountered, and the solutions provided in developing and evaluating a scheduling policy, initially implemented in a simulation environment, in the gLite grid middleware. Our focus is on a scheduling algorithm that allocates in a fair way the available resources among the requested users or jobs. During the actual implementation of this algorithm in gLite, we observed that the validity of the information used by the scheduler for its decisions affects greatly its performance. To improve the accuracy of this information, we developed an internal feedback mechanism that operates along with the scheduling algorithm. Also, a Grid computation resource cannot be shared concurrently between different users or jobs, making it difficult to provide actual fairness. For this reason we investigated the use of virtualization technology in the gLite middleware. We implement and evaluate our scheduling algorithm and the proposed mechanisms in a small gLite testbed. Next, we present a methodology, called communication-aware virtual infrastructures (COMAVI), for the concurrent migration of multiple Virtual Machines (VMs) in computing infrastructures, which aims at the optimum use of the available computational and network resources, by capturing the interdependencies between the communicating VMs. This methodology uses multiple criteria for selecting the VMs that will migrate, with different weights assigned to each of them. COMAVI also selects the computing sites where the migrating VMs will be hosted, by accounting for the way migration affects the logical (or virtual) topologies formed by the communicating VMs and viewing this selection as a logical topology reconfiguration problem. We apply COMAVI to two basic computing infrastructures that exhibit different constraints/criteria and characteristics: a grid infrastructure operating over a wide area network (WAN) and a data center infrastructure operating over a local area network (LAN). Through the presented methodology different communication-aware VM migration algorithms can be tailored to the needs of the resource provider. The algorithms presented resolve the maximum possible number of VM violations (due to computing or communication resource shortages), while tending to minimize the number of migrations performed, the induced network overhead, the logical topology reconfigurations required, and the corresponding service interruptions. We evaluate the proposed methods through simulations in realistic computing environments, and we exhibit their performance benefits. We also consider the use of social network analysis methods on communication traces, collected from Virtual Machines (VMs) located in computing infrastructures, like a data center. Our aim is to identify important VMs, for example VMs that require more bandwidth than other VMs or VMs that communicate often with other VMs. We believe that this approach can handle the large number of VMs present in computing infrastructures and their interactions in the same way social interactions of millions of people are analyzed in today’s social networks. We are interested in identifying measures that can locate these important VMs or groups of interacting VMs, missed through other usual metrics and also capture the time-dynamicity of their interactions. In our work we use real traces and evaluate the applicability of the considered methods and measures. In addition, we consider the analysis and optimization of public clouds. For this reason, we identify important algorithmic operations that should be part of a cloud analysis and optimization tool, including resource profiling, performance spike detection and prediction, resource resizing, and others, and we investigate ways in which the collected monitoring information can be processed towards these purposes. The analyzed information is valuable since it can drive important virtual resource management decisions. We also present an open-source tool we developed, called SuMo, which contains the necessary functionalities for collecting monitoring data from Amazon Web Services (AWS), analyzing them and providing resource optimization suggestions. We also present a Cost and Utilization Optimization (CUO) mechanism for optimizing the cost and the utilization of a set of running Amazon EC2 instances, which is formulated as an Integer Linear Programming (ILP) problem. This CUO mechanism receives information regarding the current set of instances used (their number, type, utilization) and proposes a new set of instances for serving the same load, so as to minimize cost and maximize utilization and performance efficiency. Finally, we present a network planning and operation tool, called Mantis, for designing the next generation optical networks, supporting both flexible and mixed line rate WDM networks. Through Mantis, the user is able to define the network topology, current and forecasted traffic matrices, CAPEX/OPEX parameters, set up basic configuration parameters, and use a library of algorithms to plan, operate, or run what-if scenarios for an optical network of interest. Mantis is designed to be deployed either as a cloud service or as a desktop application. Using the cloud infrastructures features Mantis can scale according to the user demands, executing fast and efficiently the scenarios requested. Mantis supports different cloud platforms either public such as Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2) and ~okeanos the GRNET’s cloud service or private based on OpenStack, while its modular architecture allows other cloud infrastructures to be adopted in the future with minimum effort.

Polarization mode dispersion (PMD) arises as a result of the birefringence in optical fibers, due to inherent asymmetries and deformities from external stresses. The spectral components of the input optical pulse propagate with different group velocities. Consequently, pulse duration increases leading to intersymbol interference between consequent symbols, leading to performance reduction of the coherent systems. In order to compensate for the PMD, we use adaptive linear PMD equalizers. Due to the dynamic and random nature of PMD, it is crucial for a system designer to efficiently simulate the PMD-induced outage probabilities of 10-5. Because of this stringent requirement, it is computationally costly to use the conventional Monte Carlo methods. To overcome this hurdle, Importance Sampling methods, such as the multicanonical Monte Carlo method have been applied in the past in order to efficiently reduce the simulation time required to estimate the statistics of these rare events. The multicanonical Monte Carlo method does not require any prior knowledge of which rare events contribute significantly to the PMD-induced outages. In essence, multicanonical Monte Carlo simulations adaptively bias the input random variables with a priori unknown weights. The PMD emulation model consists of a concatenation of birefringent sections, simulated based on MMC. The objective of this dissertation is to apply, for the first time, the multicanonical Monte Carlo method to accurately and efficiently evaluate the performance of adaptive, blind, feed-forward PMD equalizers employed in coherent polarization division multiplexed (PDM) quadrature phase-shift keying (QPSK) systems in all order PMD emulation model. In the exclusive presence of PMD, we demonstrated that the half-symbol-period-spaced adaptive electronic equalizers, based on the constant modulus algorithm (CMA) equalizers perform slightly better than the decision directed least mean square (DD-LMS) counterparts at links with larger PMD values, whereas the opposite holds true for the low PMD regime. Due to their distinguishable performance in different regimes of the PMD, they provided an even better performance when running DD-LMS after a first round of CMA-based equalization than using either one of the equalization algorithms stand alone. Finally, the joint presence of PMD and intermediate frequency offset or PMD and random differential phase carrier shifts slightly worsened the performance of the coherent PDM QPSK systems, independently of the equalizer. Although these random differential carrier phase shifts are typically omitted in similar PMD studies in intensity modulated/direct detection (IM/DD) systems, they should be taken into account in due to the phase sensitivity of the PDM QPSK coherent systems. / Οι οπτικές ίνες παρουσιάζουν διπλοθλαστικότητα, η οποία οφείλεται σε κατασκευαστικές ατέλειες των οπτικών ινών και σε εξωτερικούς παράγοντες. Η διπλοθλαστικότητα προκαλεί διασπορά μεταξύ των φασματικών συνιστωσών ενός διαμορφωμένου οπτικού σήματος. Κάθε φασματική συνιστώσα, ανάλογα με την πόλωσή της στην είσοδο της οπτικής ίνας, υφίσταται διαφορετική αλλαγή φάσης κατά τη διέλευσή της μέσα από την οπτική ίνα. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται διασπορά τρόπων πόλωσης. Η διασπορά τρόπων πόλωσης στην οπτική ίνα προκαλεί παραμόρφωση του οπτικού σήματος κι αλληλοπαρεμβολή συμβόλων στον οπτικό δέκτη, με αποτέλεσμα τη μείωση της απόδοσης ενός σύμφωνου οπτικού τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Για την αντιμετώπιση του φαινομένου, χρησιμοποιούνται οι προσαρμοστικοί γραμμικοί εξισωτές διασποράς τρόπων πόλωσης. Εξαιτίας της στατιστικής φύσης του φαινομένου, πιθανότητες διακοπής της λειτουργίας της τάξεως του 10-5 ενός σύμφωνου συστήματος, τετραδικής διαμόρφωσης φάσης με πολυπλεξία πόλωσης της τάξεως με εξισωτές διασποράς τρόπων πόλωσης, υπολογίστηκαν βάσει της πολυκανονικής Monte Carlo μεθόδου (MMC). Στην MMC μέθοδο. οι παράμετροι στην είσοδο του συστήματος κατευθύνονται, έτσι ώστε στην έξοδο, η (άγνωστη) συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας της παραμέτρου ελέγχου να υπολογίζεται με ακρίβεια ακόμα και στις ουρές της. Το πλεονέκτημα της ΜΜC, σε σχέση με τις μεθόδους δειγματοληψίας σημαντικότητας, είναι ότι δεν απαιτείται καμία γνώση για το ποιες περιοχές στην είσοδο πρέπει να δειγματοληφθούν, ώστε στην έξοδο να προκύψουν τα σπάνια εκείνα γεγονότα που μας ενδιαφέρουν. Με βάση την ΜΜC μέθοδο υλοποιήθηκε και το μοντέλο της ίνας, ως μια αλληλουχία διπλοθλαστικών πλακιδίων. Σκοπός της διδακτορικής διατριβής, είναι η αξιολόγηση της απόδοσης του ενός σύμφωνου συστήματος με χρήση των εξισωτών, συναρτήσει της πιθανότητας διακοπής της λειτουργίας του συστήματος. Για την περίπτωση της αποκλειστικής παρουσίας της διασποράς τρόπων πόλωσης, ο εξισωτής ελαχίστου μέσου τετραγώνου (DD-LMS) έχει αποδοτικότερη λειτουργία, σε σχέση με τον εξισωτή σταθερής περιβάλλουσας (CMA), για χαμηλές τιμές της διασποράς τρόπων πόλωσης, ενώ ο εξισωτής CMA κυριαρχεί στις περιοχές με μεγαλύτερες τιμές της διασποράς τρόπων πόλωσης. Η βέλτιστη λειτουργία του σύμφωνου συστήματος σε μια ευρύτερη περιοχή τιμών της διασποράς τρόπων πόλωσης, επιτυγχάνεται με την χρήση ενός συνδυασμού των δύο εξισωτών CMA και LMS. Η αλληλεπίδραση της διασποράς τρόπων πόλωσης και της ενδιάμεσης συχνότητας επηρεάζει την απόδοση του σύμφωνου συστήματος, όπου ο εξισωτής CMA λειτουργεί αποδοτικότερα σε σχέση με τον εξισωτή DD-LMS, τόσο στις περιοχές χαμηλής όσο και υψηλής τιμής της διασποράς τρόπων πόλωσης. Επίσης, αν στο μοντέλο της ίνας, προσομοιώσουμε και τις τυχαίες διαφορικές ολισθήσεις της φέρουσας συχνότητας μεταξύ των πλακιδίων, λόγω της διπλοθλαστικότητας, τότε η επίδοση των εξισωτών ελαττώνεται. Επομένως, θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψιν για την ορθότερη αξιολόγηση της απόδοσης του σύμφωνου συστήματος.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται σε δύο ερευνητικά προβλήματα που αποτελούν τα αντικείμενα δύο ερευνητικών φάσεων. Στην Α΄ ερευνητική φάση, διάρκειας ενός έτους, ασχολείται με τη διερεύνηση μαθηματικών πρακτικών σε τρεις ομάδες τεχνικών του Οργανισμού Τηλεπικοινωνιών Ελλάδας αναζητώντας παράλληλα την ύπαρξη αμετάβλητων στοιχείων της μαθηματικής επιστήμης τα οποία διαπερνούν την ακαδημαϊκή και την παρούσα εργασιακή κοινότητα. Στη Β΄ ερευνητική φάση, διάρκειας οκτώ μηνών, εξετάζει κάτω και υπό ποιες προϋποθέσεις πέντε σπουδαστές ενός Τεχνολογικού Εκπαιδευτικού Ιδρύματος που πραγματοποιούν την πρακτική τους άσκηση στον ίδιο Οργανισμό είναι σε θέση να αναγνωρίσουν τα αμετάβλητα αυτά στοιχεία. Στην Α΄ ερευνητική φάση η Θεωρία Δραστηριότητας των Vygotsky, Leont’ ev και των συνεχιστών του έργου τους, Engeström & Cole, αποτελεί τη θεωρητική βάση της εργασίας. Τα ερευνητικά δεδομένα προκύπτουν από εθνογραφικής φύσης παρατηρήσεις αλλά και συζητήσεις με τους συμμετέχοντες. Η μαθηματική δραστηριότητα που αναγνωρίσαμε στο χώρο εργασίας ήταν πολύπλοκη και πλούσια αλλά πλήρως ενταγμένη στο πλαίσιο αναφοράς της. Ειδικότερα, αναγνωρίσαμε και ταξινομήσαμε τα μαθηματικά εργαλεία τα οποία διαμεσολαβούσαν στις κεντρικές καθημερινές εργασιακές δραστηριότητες των τεχνικών και αναδείξαμε τους τρόπους με τους οποίους αυτά εμπλέκονταν με τα τεχνικής φύσης εργαλεία τους. Ταυτόχρονα αναγνωρίσαμε αμετάβλητα μαθηματικά στοιχεία στις μαθηματικές έννοιες, στο τρόπο κατανόησής τους από τους τεχνικούς και σε μαθηματικές διαδικασίες που οι ίδιοι χρησιμοποιούσαν για την επίτευξη των εργασιακών τους στόχων. Στην Β΄ ερευνητική φάση τα ερευνητικά δεδομένα προέρχονται από διερευνητικής και παρεμβατικής φύσης συνεντεύξεις με τους σπουδαστές και εθνογραφικές παρατηρήσεις. Μέσα από τις διερευνητικής φύσης συνεντεύξεις καταγράψαμε τις στάσεις των σπουδαστών ως μέλη της σπουδαστικής και της συγκεκριμένης εργασιακής κοινότητας και αναζητήσαμε μαθηματικές πρακτικές που ανέπτυξαν ως μαθητευόμενοι στην παρούσα εργασιακή τους κοινότητα. Οι μαθηματικές πρακτικές που ανέπτυξαν οι σπουδαστές, έστω και ασυνείδητα, είχαν άμεση εξάρτηση από τα εργαλεία και τους εργασιακούς στόχους της κάθε κοινότητας και αφορούσαν την ικανότητα οπτικοποίησης και την ανάγνωση και ερμηνεία σύνθετων οπτικών αναπαραστάσεων. Τέλος, μέσα από μια σειρά παρεμβατικής φύσης συνεντεύξεων αναλύσαμε με εργαλεία σημειωτικής τη δραστηριότητα που ανέπτυξαν οι ίδιοι σπουδαστές στην προσπάθεια ερμηνείας αυθεντικών αναπαραστάσεων με σκοπό τη σύνδεση κοινών μαθηματικών εννοιών που συναντώνται στην ακαδημαϊκή και στην παρούσα εργασιακή κοινότητα. Οι έννοιες αυτές αφορούσαν το θεσιακό σύστημα αρίθμησης και τη συναρτησιακή σχέση αντίστασης, μήκους, διαμέτρου χάλκινων καλωδίων. Καταλήγουμε, καταγράφοντας τα χαρακτηριστικά που προάγουν και αναστέλλουν, τη μεταφορά της γνώσης στο νέο κοινωνικό-πολιτισμικό πλαίσιο. Στο τέλος της διατριβής καταγράφονται και αναλύονται οι εκπαιδευτικές προεκτάσεις της έρευνας. / This dissertation thesis focuses on two different research problems carried out in two research phases. In the first research phase, lasting one year, it focuses on the exploration –identification of mathematical practices of three different groups of technicians of the Greek Telecommunication Organization. In parallel, it investigates the existence of invaried mathematical elements that are crossing the academic and the current workplace community. In the second research face, lasting eight months, it investigates how and whether five students of a Technological Educational Institute who were doing their practicum in this setting could recognize these invariant mathematical elements. In the first research phase, the theoretical framework is guided by Vygotsky and Leont’ev work on Activity theory and their followers, Engeström & Cole. Our data are coming from ethnographic observations and discussions with the participants. The mathematical activity we identified was complex and rich but completely contextual. Especially, we recognized and categorized the mediated mathematical tools in technicians’ central workplace activities and we were showing off how these are interrelated with their physical mediated tools. At the same time we recognized invariant mathematical elements in the category of mathematical concepts, the meanings the technicians attributed to these concepts and in the category of mathematical processes they were using in order to achieve their workplace goals. In the second research phase, our data are coming from eexploratory and intervention interviews with the students and ethnographic observations. In the exploratory interviews we recorded their experiences and their attitudes as members of the academic and the workplace community and we identified mathematical practices they developed as apprentice members of this community. Τhe main mathematical practices the students developed, mainly unconsciously, were attached to the tools and the goals of the workplace community and referring to visualization and reading and interpreting complex visual representations. Finally, through the intervention interviews, we analyzed with the help of semiotic tools the activity the same students developed in order to interpret mathematical objects that are common to the academic and workplace community. The mathematical objects were referring to the place value concept and the functional relation between the resistance, the length and the diameter of the copper wires. In the conclusion, we recorded the characteristics that support and block students’ transfer of knowledge in their new socio-cultural context. In the end of the thesis we discuss and analyze the educational implications of our findings.

Τα οπτικά δίκτυα αποτελούν την αποδοτικότερη επιλογή όσον αφορά την εγκατάσταση ευρυζωνικών δικτύων κορμού, καθώς παρουσιάζουν μοναδικά χαρακτηριστικά μετάδοσης. Διαθέτουν τεράστιο εύρος ζώνης, υψηλή αξιοπιστία, ενώ επίσης έχουν μειωμένο κόστος μετάδοσης ανά bit πληροφορίας σε σχέση με τα υπόλοιπα ενσύρματα δίκτυα. Τις τελευταίες δεκαετίες διατυπώθηκαν οι αρχές μίας τεχνολογίας μετάδοσης πολλαπλών φερουσών, γνωστής ως Ορθογώνια Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM), η οποία στηρίζεται στην πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας, αλλά πετυχαίνει πολύ καλύτερη χρησιμοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Πρόσφατα και στις οπτικές επικοινωνίες άρχισε να μετατοπίζεται το ενδιαφέρον στην Οπτική Ορθογώνια Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (O-OFDM), λόγω της προόδου στην κωδικοποίηση και στην ηλεκτρονική ψηφιακή επεξεργασία σήματος (DSP). Οι εξελίξεις αυτές μπορούν να αλλάξουν ριζικά τα οπτικά δίκτυα. Μέσω της πολυπλεξίας υποφερουσών και της δέσμευση μεταβλητού φάσματος, που είναι χαρακτηριστικά της O-OFDM τεχνολογίας, ένα οπτικό μονοπάτι μπορεί να χρησιμοποιεί το απολύτως απαραίτητο φάσμα (αριθμό υποφερουσών) ανάλογα με το μεταδιδόμενο ρυθμό δεδομένων. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται καλύτερη χρησιμοποίηση φάσματος αναιρόντας τον περιορισμό σταθερού πλέγματος των δικτύων πολυπλεξίας μήκους κύματος (WDM). Παράλληλα η αρχιτεκτονική αυτή υποστηρίζει τη δέσμευση χωρητικότητας μικρότερης ή μεγαλύτερης από αυτή ενός μήκους κύματος μέσω της δέσμευσης κατάλληλου αριθμού υποφερουσών από κατάλληλους transponders και μεταγωγείς WXCs. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αντιμετωπίζεται το πρόβλημα της σχεδίασης ευέλικτων OFDM οπτικών δικτύων, όπου οι αιτήσεις εξυπηρετούνται από κατάλληλους transponders όσον αφορά την επιλογή του χρησιμοποιούμενου φάσματος και του επίπεδου διαμόρφωσης. Με δεδομένη την τοπολογίας του δικτύου, τον πίνακα αιτήσεων και των χαρακτηριστικών των transponders, παρουσιάζονται οι μοντελοποιήσεις γραμμικού ακέραιου προγραμματισμού (Integer Linear Programming) για την επίλυση του προβλήματος σχεδίασης διαφανών (transparent) και ημι-διαφανών (translucent) οπτικών OFDM δικτύων λαμβάμνοντας υπόψη τους υπαρκτούς περιορισμούς φυσικού επιπέδου. Σχεδιάζεται λοιπόν, ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης που λαμβάνει υπόψη του τόσο το εύρος ζώνης που χρησιμοποιείται όσο και τον αριθμό των transponders. Από τη στιγμή που το πρόβλημα της δρομολόγησης και δέσμευσης φάσματος (Routing and Spectrum Allocation RSA) είναι ΝP πλήρες (NP-complete), η λύση του προβλήματος γραμμικού ακέραιου προγραμματισμού (ILP) δεν είναι αποδοτική για μεγάλα στιγμιότυπα του προβλήματος. Για το λόγο αυτό, παρουσιάζονται ευριστικοί αλγόριθμοι (heuristic algorithms) για την επίλυση του προβλήματος σχεδίασης διαφανών και ημι-διαφανών οπτικών δικτύων. / We consider the planning problem of a spectrum flexible optical network where traffic is served by flexible transponders that can be tuned in both the spectrum and the modulation format that they utilize. We assume that physical layer impairments are incorporated in the definition of the feasible transmission configurations for the transponders, described by capacity-reach-spectrum-guardband tuples. Given the feasible configurations (tuples) of the transponders and the traffic matrix, we formulate the planning problem of a spectrum flexible optical network considering both the use or not of regenerators in the network. Demands are served for their requested rates by choosing the route, breaking the transmission in more than one connection if needed, placing regenerators if needed, and allocating spectrum to the connections. The connections are separated by appropriate spectrum guardbands so that physical layer interference is kept at acceptable levels. The objective is to serve the traffic and find a solution that is Pareto optimal with respect to the total amount of spectrum utilized and the number of transponders used. We start by presenting algorithms that are based on integer linear programming (ILP) formulations for planning both transparent (without regenerators) and translucent (with regenerators) networks and then we continue by presenting heuristic algorithms. Our heuristic algorithms utilize simulated annealing to tradeoff performance with running time. We use transmission tuples based on studies on OFDM-based networks in our simulation experiments. We initially examine the optimality performance of the heuristic algorithms in small scale experiments. Then we use the heuristic algorithms to study realistic network planning problems and evaluate the spectrum and transponder cost savings that can be obtained by an OFDM-based network as compared to a mixed line rate (MLR) fixed-grid WDM optical network.

Τα οπτικά δίκτυα αποτελούν την αποδοτικότερη επιλογή όσον αφορά την εγκατάσταση ευρυζωνικών δικτύων κορμού, καθώς παρουσιάζουν μοναδικά χαρακτηριστικά μετάδοσης. Διαθέτουν τεράστιο εύρος ζώνης, υψηλή αξιοπιστία, ενώ επίσης έχουν μειωμένο κόστος μετάδοσης ανά bit πληροφορίας σε σχέση με τα υπόλοιπα ενσύρματα δίκτυα. Σημαντικές ερευνητικές προσπάθειες έχουν επικεντρωθεί στις προοπτικές μετάβασης από τα παραδοσιακά στατικά δίκτυα κυκλωμάτων, στα οποία χρησιμοποιείται από-σημείο-σε-σημείο οπτική μετάδοση, σε δίκτυα μετάδοσης δεδομένων που προσφέρουν δυναμική και γρήγορη επαναρύθμιση των οπτικών μονοπατιών και πρόσβαση σε χωρητικότητες κάτω του ενός μήκους κύματος, ανάλογα με τις απαιτήσεις των χρηστών και των εκάστοτε εφαρμογών. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει η τάση για δημιουργία δυναμικών και επαναρυθμιζόμενων οπτικών δικτύων μεταγωγής κυκλώματος (Optical Circuit Switching), τα οποία θα βασίζονται σε διαφανείς κόμβους μεταγωγής. Η μονάδα μεταγωγής των δικτύων οπτικής μεταγωγής κυκλώματος είναι τα οπτικά μονοπάτια (lightpaths) και το βασικό πρόβλημα βελτιστοποίησης που σχετίζεται με την αποδοτική εκμετάλλευση της χωρητικότητας τέτοιων δικτύων είναι το πρόβλημα της δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (Routing and Wavelength Assignment - RWA). Στα αμιγώς διαφανή (transparent) οπτικά δίκτυα κυκλώματος η μετάδοση του σήματος υποβαθμίζεται από μια σειρά φυσικών εξασθενήσεων (physical impairments), σε σημείο που η εγκατάσταση ενός οπτικού μονοπατιού να μην είναι αποδεκτή. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος στην παρούσα διατριβή προτείνουμε αλγόριθμους οι οποίοι λαμβάνουν υπόψη τους τις φυσικές εξασθενήσεις (Impairment Aware RWA ή ΙΑ-RWA algorithms) τόσο για στατική όσο και για δυναμική κίνηση. Συγκεκριμένα, παρουσιάζουμε έναν IA-RWA αλγόριθμο για στατική κίνηση, ο οποίος βασίζεται στην τεχνική της LP-χαλάρωσης και χρησιμοποιεί αποδοτικές μεθόδους για την παραγωγή ακεραίων λύσεων. Εκφράζουμε τις φυσικές εξασθενήσεις μέσω επιπλέον περιορισμών στην LP μοντελοποίηση του RWA προβλήματος, επιτυγχάνοντας την διαστρωματική βελτιστοποίηση (cross-layer optimization) πάνω στο φυσικό επίπεδο και στο επίπεδο δικτύου. Στη συνέχεια, προτείνουμε έναν IA-RWA αλγόριθμο πολλαπλών κριτηρίων (multi-cost) για δυναμική κίνηση. Ορίζουμε ένα διάνυσμα από κόστη για κάθε σύνδεσμο και τις πράξεις συσχέτισης αυτών, ώστε να μπορούμε να υπολογίσουμε το διάνυσμα από κόστη ενός μονοπατιού και μέσω αυτού να αξιολογήσουμε την ποιότητα μετάδοσης των διαθέσιμων μηκών κύματος του μονοπατιού. Για την εξυπηρέτηση μιας νέας αίτησης σύνδεσης, ο αλγόριθμος πολλαπλών κριτηρίων υπολογίζει το σύνολο των μη κυριαρχούμενων μονοπατιών, από την πηγή στο ζητούμενο προορισμό, και μετά εφαρμόζει μια πολιτική για να επιλέξει το βέλτιστο οπτικό μονοπάτι. Προτείνουμε και αξιολογούμε την απόδοση μιας σειράς από πολιτικές επιλογής, η κάθε μια από τις οποίες ουσιαστικά αντιστοιχεί σε έναν διαφορετικό δυναμικό IA-RWA αλγόριθμο. Στη συνέχεια, στρέφουμε την προσοχή μας στα δίκτυα οπτικής μεταγωγής καταιγισμών (Optical Burst Switching – OBS), τα οποία θεωρούνται ότι αποτελούν το επόμενο στάδιο των δικτύων οπτικής μεταγωγής κυκλώματος, όπου η δέσμευση της χωρητικότητας γίνεται για μικρότερο χρονικό διάστημα. Στα OBS δίκτυα, τα πακέτα που έχουν τον ίδιο προορισμό και παρόμοιες απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας συναθροίζονται σε καταιγισμούς (bursts). Οι καταιγισμοί μεταδίδονται πάνω από αμιγώς οπτικά μονοπάτια, τα οποία ρυθμίζονται με τη χρήση πακέτων ελέγχου που μεταδίδονται πριν από τους αντίστοιχους καταιγισμούς και τα οποία επεξεργάζονται ηλεκτρονικά οι ενδιάμεσοι κόμβοι. Επικεντρώνουμε την προσοχή μας σε δυο βασικά στοιχεία ενός δικτύου οπτικής μεταγωγής καταιγισμών, την διαδικασία συναρμολόγησης καταιγισμών και τα πρωτόκολλα σηματοδοσίας, και παραθέτουμε δύο προτάσεις για την αποδοτική ανάθεσης χωρητικότητας σε αυτά τα δίκτυα. Συγκεκριμένα, προτείνουμε και αξιολογούμε ένα νέο αλγόριθμο συναρμολόγησης καταιγισμών που βασίζεται στη μέση καθυστέρηση των πακέτων που αποτελούν έναν καταιγισμό. Δείχνουμε ότι ο προτεινόμενος αλγόριθμος συναρμολόγησης καταιγισμών μειώνει την διασπορά της καθυστέρησης των πακέτων (packet delay jitter), η οποία είναι σημαντική για μια σειρά από εφαρμογές. Στην συνέχεια προτείνουμε ένα νέο αμφίδρομο (two-way) πρωτόκολλο σηματοδοσίας που βασίζεται στις μελλοντικές (in-advance) και χαλαρωμένες χρονικά (relaxed timed) δεσμεύσεις χωρητικότητας. Στο προτεινόμενο πρωτόκολλο, κατά τη φάση εγκατάστασης της σύνδεσης οι δεσμεύσεις χωρητικότητας γίνονται για χρονικό διάστημα μεγαλύτερο από το χρόνο μετάδοσης του καταιγισμού, ώστε να αυξηθεί η πιθανότητα επιτυχούς εγκατάστασης στους επόμενους συνδέσμους του μονοπατιού. Συγκρίνουμε το προτεινόμενο πρωτόκολλο με τυπικά πρωτόκολλα που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία και δείχνουμε οτι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παροχή διαφοροποιημένης ποιότητα υπηρεσιών (QoS differentiation) στους χρήστες του OBS δικτύου. Στη συνέχεια, εξετάζουμε το πρόβλημα της δρομολόγησης και του χρονοπρογραμματισμού συνδέσεων με χαλαρό - μη συγκεκριμένο χρόνο εκκίνησης, πρόβλημα που εμφανίζεται υπό ελαφρώς διαφορετική μορφή σε δίκτυα οπτικής μεταγωγής κυκλώματος, οπτικής μεταγωγής καταιγισμών αλλά και μεταγωγής πακέτου. Η εξυπηρέτηση αυτών των συνδέσεων γίνεται μέσω μελλοντικών δεσμεύσεων χωρητικότητας, τρόπος ο οποίος είναι τυπικός για να παρεχθεί εγγυημένη ποιότητα υπηρεσίας (QoS) στους χρήστες ενός δικτύου. Θεωρούμε ότι μας δίνεται μια σύνδεση με γνωστή πηγή και προορισμό, γνωστό ή άγνωστο όγκο δεδομένων και γνωστό ρυθμό μετάδοσης και ζητείται να αποφασίσουμε το μονοπάτι που θα ακολουθήσουν τα δεδομένα και το χρόνο που θα αρχίσει η μετάδοση. Διακριτοποιούμε το χρόνο και χρησιμοποιούμε κατάλληλα διανύσματα ως δομές δεδομένων για να αναπαραστήσουμε τη διαθεσιμότητα των συνδέσμων του δικτύου ως συνάρτηση του χρόνου. Χρησιμοποιούμε αυτά τα διανύσματα σε ένα αλγόριθμο πολλαπλών κριτηρίων για τη δρομολόγηση και το χρονοπρογραμματισμό των συνδέσεων. Αρχικά, παρουσιάζουμε έναν αλγόριθμο πολλαπλών κριτηρίων μη πολυωνυμικής πολυπλοκότητας, ο οποίος βασίζεται στην έννοια των μη-κυριαρχούμενων μονοπατιών. Μετά προτείνουμε δύο ευριστικούς αλγορίθμους πολυωνυμικής πολυπλοκότητας, ορίζοντας κατάλληλες σχέσεις ψευδο-κυριαρχίας οι οποίες μειώνουν το χώρο των λύσεων. Επίσης, προτείνουμε ένα μηχανισμό branch-and-bound, ο οποίος μπορεί να μειώσει το χώρο λύσεων στην περίπτωση που χρησιμοποιούμε μια συγκεκριμένη συνάρτηση βελτιστοποίησης για όλες τις συνδέσεις. Η απόδοση των προτεινόμενων αλγορίθμων αξιολογήθηκε σε ένα δίκτυο οπτικής μεταγωγής καταιγισμών, ωστόσο τα συμπεράσματα και η εφαρμοσιμότητα του προτεινόμενου αλγόριθμου επεκτείνεται και σε άλλου είδους οπτικά δίκτυα. Τέλος, εξετάζουμε το πρόβλημα του συνδυασμένου χρονοπρογραμματισμού των δικτυακών και υπολογιστικών πόρων που απαιτούνται για την εκτέλεση μιας διεργασίας σε ένα Δίκτυο Πλέγματος (Grid Network). Τα Δίκτυα Πλέγματος θεωρούνται το επόμενο βήμα στον τομέα των κατανεμημένων συστημάτων, εισάγοντας την έννοια της “κοινής” χρήσης γεωγραφικά κατανεμημένων και ετερογενών πόρων (υπολογιστικών, αποθηκευτικών, δικτυακών, κλπ.). Υποθέτουμε ότι η εκτέλεση μιας διεργασίας αποτελείται από δύο διαδοχικά στάδια: (α) Τη μεταφορά των δεδομένων εισόδου της διεργασίας από μια αποθηκευτική μονάδα σε μια συστοιχία υπολογιστών (cluster), (β) την εκτέλεση της διεργασίας στη συστοιχία υπολογιστών. Επεκτείνουμε τον αλγόριθμο πολλαπλών κριτηρίων για τη δρομολόγηση και το χρονοπρογραμματισμό συνδέσεων που περιγράφηκε προηγουμένως, έτσι ώστε να χειρίζεται με ένα συνδυασμένο τρόπο δικτυακούς και υπολογιστικούς πόρους για την εκτέλεση των διεργασιών. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος επιστρέφει: (i) τη συστοιχία υπολογιστών όπου θα εκτελεστεί η διεργασία, (ii) το μονοπάτι το οποίο θα ακολουθήσουν τα δεδομένα εισόδου, (iii) τη χρονική στιγμή εκκίνησης μετάδοσης και (iv) τη χρονική στιγμή εκκίνησης εκτέλεσης της διεργασίας στη συστοιχία υπολογιστών. Ξεκινάμε παρουσιάζοντας έναν αλγόριθμο μη πολυωνυμικού χρόνου και μετά, αφού μειώσουμε κατάλληλα το χώρο λύσεων, δίνουμε έναν ευριστικό αλγόριθμο πολυωνυμικής πολυπλοκότητας. / Optical networks have developed rapidly over the last ten years and are widely used in core networks due to their superior transmission characteristics. Optical networks provide huge available capacity that can be efficiently utilized using wavelength division multiplexing (WDM) and high reliability at the lowest cost per bit ratio when compared to the other wired and wireless networking solutions. Much research has focused on ways to evolve from the typical point-to-point opaque WDM networks that are currently employed in the core to optical networks that are dynamically and quickly reconfigurable and can provide on-demand services to users at subwavelength granularity according to users’ requirements. The most common architecture utilized for establishing communication in WDM optical networks is wavelength routing that fall in the general category of Optical Circuit Switched (OCS) networks. The switched entities in OCS networks are the lightpaths and the basic optimization problem that is related to the efficient allocation of bandwidth is the routing and wavelength assignment problem (RWA). The current optical technology employed in core networks is point-to-point transmission, where the signal is regenerated at every intermediate node via optical-electronic-optical (OEO) conversion. During the recent few years, the trend clearly shows an evolution towards low-cost and high capacity all-optical transparent networks that do not utilize OEO. In transparent OCS networks the signal of a lightpath remains in the optical domain and its quality deteriorates due to a series of physical layer impairments (PLIs). These PLIs may degrade the received signal quality to the extent that the bit-error rate (BER) at the receiver may be so high that signal detection may be infeasible for some lightpaths. To address this problem we proposed algorithms that take into account the PLIs, usually referred in the literature as Impairment Aware RWA or ΙΑ-RWA algorithms, for both offline (static) and online (dynamic) traffic. In particular we propose an IA-RWA algorithm for static traffic that is based on an LP-relaxation formulation and use various efficient methods to obtain integer solutions. The physical layer impairments are included as additional constraint in the LP formulation of the RWA problem, yielding a cross-layer optimization solution between the network and the physical layers. We then proceed and propose a multi-cost IA-RWA algorithm for dynamic traffic. We define a cost vector per link and associative operators to combine these vectors so as to calculate the cost vector of a path. The parameters of these cost vectors are chosen so as to enable the quick and efficient calculation of the quality of transmission of candidate lightpaths. To serve a connection request, the proposed multi-cost algorithm calculates the set of so called non-dominated paths from the given source to the given destination, and then applies an optimization policy to choose the optimal lightpath. We propose and evaluate various optimization policies that correspond to different online IA-RWA algorithms. We then turn our attention to Optical Burst Switched (OBS) networks, which are regarded as the next step from the OCS paradigm towards a more dynamic core network that can provide on demand subwavelength services to users. In OBS networks, the packets that have the same destination and similar quality of service requirements are aggregated into bursts at the ingress nodes. When a burst is aggregated, a control packet is transmitted and is electronically processed at intermediate nodes so as to configure them for the burst that will pass transparently afterwards. We focus on two key elements of an OBS network, and in particular the burst aggregation (or burstification) process and the signaling protocol, and we propose two solutions for the efficient allocation of bandwidth in OBS networks. We propose and evaluate a novel burst assembly algorithm that is based on the average delay of the packets that comprise a burst. We show that the proposed algorithm decreases the packet delay jitter among the packets, which is important for a number of applications, including real-time, video and audio streaming, and TCP applications. Next we propose a two-way reservation signaling protocol that utilizes in-advance and relaxed timed reservation of the bandwidth. In the connection establishment phase of the proposed protocol, bandwidth reservations can exceed the duration of burst transmission (thus, relaxing the timed reservations), so as to increase the acceptance probability for the rest of the path. By controlling the degree of the relaxed timed reservations the protocol can also provide service differentiation to the users. Next we examine the problem of routing and scheduling of connections with flexible starting time in networks that support advance reservations. This problem can arise in slightly different settings in Optical Circuit Switched, Optical Burst Switched, and Optical Packet Switched networks. Such connection requests are served through advanced reservations, a process which is used to provide quality of service to users. We assume that for a connection request we are given the source, the destination, and the size of the data to be transferred with a given rate, and we are asked to provide the path and the time that the transmission should start so as to optimize a certain performance metric. We discretize the time and we use appropriate data structures (in the form of vectors) to map the utilization of the links as a function of time. We use these vectors as cost parameters in a multi-cost algorithm. We initially present a multicost algorithm of non-polynomial complexity that uses a full domination relation between paths. We then propose two mechanisms to prune the solution space in order to obtain polynomial complexity algorithms. In the first mechanism we define pseudo-domination relations that are weaker than the full domination relation. We also propose a branch-and-bound extension to the optimum algorithm that can be used for a given specific optimization function. The performance of the multicost algorithm and its variations are evaluated in an OBS network, but this does not limit the applicability of the algorithm and the conclusions can be extended in the other optical networking paradigms. Finally, we examine the problem of joint reservation of communication and computation resources that are required by a task in a Grid Network. Grid Networks are considered as the next step in distributed systems, introducing the concept of shared usage of geographically distributed and heterogeneous resources (computation, storage, communication, etc.). We assume that the task execution consists of two phases: (a) the transfer of the input data from a data storage resource, or the scheduler to a computation resource (cluster), (b) the execution of a program at the cluster. We extend the multicost algorithm for the routing and scheduling of connections, outlined above, so as to handle the reservation of computation resources as its last leg. In this way the proposed algorithm performs a joint optimization for the communication and computation part required by a task and returns: (i) the cluster to the execute the task, (ii) the path to route the input data, (iii) the time to start the transmission of data, and (iv) the time to start the execution of the task. We start by presenting an algorithm of non-polynomial complexity and then by appropriately pruning the solution space, we give a heuristic algorithm of polynomial complexity. We show that in a Grid network where the tasks are cpu- and data-intensive important performance benefits can be obtained by jointly optimizing the use of the communication and computation resources.