Στην παρούσα διατριβή αντιμετωπίζεται το πρόβλημα της παροχής επιστημονικού λογισμικού σαν υπηρεσία διαδικτύου, με έμφαση στις εφαρμογές χρονοπρογραμματισμού ανθρώπινων πόρων. Οι εφαρμογές αυτές χαρακτηρίζονται από ειδικές ανάγκες ως προς το περιβάλλον υλικού και λογισμικού, ανήκοντας στο γενικότερο χώρο των NP-hard προβλημάτων βελτιστοποίησης. Δημιουργήθηκαν και παρουσιάζονται δύο πλατφόρμες παροχής υπηρεσιών, SchedSP και SchedSP-WS, με στόχο να παρέχουν υπηρεσίες λειτουργικού συστήματος στους δημιουργούς εφαρμογών ιστού, ενώ παρέχονται ειδικές υπηρεσίες για την υποστήριξη εφαρμογών χρονοπρογραμματισμού. Η απαιτούμενη υπολογιστική χωρητικότητα εξασφαλίστικε αρχικά από το σύστημα PLEIADES, που επίσης παρουσιάζεται ως πάροχος υπολογιστικής υποδομής σαν υπηρεσιά, το οποίο αργότερα αντικαταστάθηκε από την υποδομή του ευρωπαϊκού έργου υποδομής EGEE. Επίσης, παρουσιάζεται ένα μοντέλο κατανεμημένης εφαρμογής χρονοπρογραμματισμού, το οποίο αποτελεί τη βάση του πλαισίου SchedScripter. Το πλαίσιο SchedScripter που επίσης παρουσιάζεται, επιτρέπει τη δημιουργία κατανεμημένων εφαρμογών χρονοπρογραμματισμού, βασισμένων στο υπολογιστικό πλέγμα. / This PhD dissertation deals with the provision of scientific software as Internet service, with emphasis on human resources scheduling applications. These applications have special needs from the computational environment, in terms of software and hardware, as they are NP-hard optimization problems. Two application service provider platforms have been created and presented, SchedSP and SchedSP-WS, aiming to offer operating system like services to web application developers, while they offer special support for scheduling applications. The required computational capacity initially was provided by PLEADES, which is also presented as a computational infrastructure service provider, to be substituded later by the EU infrastructures project EGEE. A distributed scheduling application model is presented, which is the foundation of the SchedScripter framework. The SchedScripter framework, which is also presented, enables the creation of distributed scheduling applications, running on a computational grid.

Ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι η περαιτέρω κατανόηση και ποσοτική σύνδεση φαινομένων μεταφοράς που λαμβάνουν χώρα σε πορώδη μέσα με τα αντίστοιχα φαινόμενα στην κλίμακα λίγων πόρων. Η επέκταση των αποτελεσμάτων από την κλίμακα πόρου στην κλίμακα του πορώδους μέσου δεν είναι προφανής και για το λόγο αυτό η τοπολογία και μορφολογία της πορώδους δομής αντιμετωπίζονται εδώ με δίκτυα πόρων, με έμφαση στα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στις διασταυρώσεις, αλλά και με ψηφιακές αναπαραστάσεις της δομής με βάση μικροφωτογραφίες δείγματος του υλικού. Συγκεκριμένα, στην εργασία αυτή εξετάζεται η διασπορά μορίων διαλυμένης ουσίας σε δίκτυα πόρων, παρουσιάζεται μία καινούργια τεχνική ανακατασκευής ανομοιογενών πορωδών υλικών και αναπτύσσεται μια μέθοδος προσομοίωσης της ροής αερίων δια μέσου ανακατασκευασμένων πορωδών υλικών στη μεταβατική περιοχή ροής όπου η μέση ελεύθερη διαδρομή των μορίων ενός αερίου είναι συγκρίσιμη με το μέγεθος των πόρων οπότε και παύει να ισχύει η συνήθης παραδοχή του συνεχούς. Η επίδραση της ανάμειξης μέσα σε πόρους ή στις διασταυρώσεις πόρων/ρωγμών στη διασπορά μορίων διαλυμένης ουσίας σε πορώδη μέσα ερευνήθηκε μέσα από την ανάπτυξη και χρήση διαφορετικών τεχνικών προσομοίωσης με έμφαση στις λεπτομέρειες της ροής και της μεταφοράς μάζας στην περιοχή της διασταύρωσης. Βρέθηκε ότι μία νέα μέθοδος τυχαίου περιπάτου αναπαράγει με καλή ακρίβεια το συντελεστή διασποράς σε χαμηλές και μεσαίες τιμές του Peclet, χάρη στο γεγονός ότι λαμβάνει υπ’ όψη την ανάντι της ροής κίνηση των σωματιδίων και τους διαφορετικούς χρόνους παραμονής μέσα σε κάθε κλάδο. Παράλληλα αναπτύχθηκε μία καινοτόμος μέθοδος ανακατασκευής πορωδών μέσων. Η τεχνική στηρίζεται στο διφασικό πρότυπο δικτύου Boltzmann, το οποίο περιγράφει την εξέλιξη συστημάτων υγρού-αερίου υπό την επίδραση της διεπιφανειακής τάσης. Ο μηχανισμός αυτός οδηγεί στη δημιουργία συσχετισμένων δομών, όπου τόσο η μορφολογία του πορώδους μέσου όσο και ο βαθμός συσχέτισής του καθορίζονται από τις λειτουργικές παραμέτρους του προτύπου. Η τεχνική εφαρμόστηκε επιτυχώς σε πραγματικό δείγμα εδάφους με αφετηρία την πληροφορία που δίνεται από μία μικροφωτογραφία μίας στατιστικά χαρακτηριστικής τομής του. Τέλος, μελετήθηκε η ροή αερίων σε πορώδη μέσα, σε πεπερασμένους αριθμούς Knudsen, όπου η μέση διάμετρος των πόρων είναι της ίδιας τάξης με τη μέση ελευθέρα διαδρομή των μορίων του αερίου. Η μελέτη έγινε με τη μεσοσκοπική μέθοδο DSMC. Ο έλεγχος της αξιοπιστίας της μεθόδου και της παρούσας υλοποίησής της έγινε μέσω της μελέτης της ισοθερμοκρασιακής ροής αερίου μεταξύ παραλλήλων πλακών. Παράλληλα υπολογίστηκε το δυναμικό ιξώδες αερίου σε συνθήκες υψηλής αραίωσης και παρουσιάστηκε η εξάρτησή του από τον αριθμό Knudsen. Βρέθηκε ότι τα αποτελέσματα προσεγγίζονται ικανοποιητικά από μία αναλυτική έκφραση τύπου Bosanquet που συσχετίζει το αποτελεσματικό ιξώδες με την τιμή του στο όριο του συνεχούς και με τον αριθμό Knudsen. Επιπρόσθετα μελετήθηκε για πρώτη φορά με τη μέθοδο DMSC η ροή αερίων σε υπολογιστικά ανακατασκευασμένες πορώδεις δομές. Επιβεβαιώθηκε το φαινόμενο του Klinkenberg και η γραμμική εξάρτηση του συντελεστή διαπερατότητας από την αντίστροφη πίεση. Τέλος χρησιμοποιήθηκε μια διαφορετική προσέγγιση στο πρόβλημα υπολογισμού της ροής στη μεταβατική περιοχή μέσω ανάπτυξης προτύπου δικτύου Boltzmann, κατάλληλα τροποποιημένου για ροές σε συνθήκες αραίωσης. Το πρότυπο δοκιμάστηκε τόσο στην περίπτωση ροής μεταξύ παραλλήλων πλακών όσο και σε ροή σε πορώδη μέσα όπου η συμφωνία με τη μέθοδο DSMC βρέθηκε πολύ ικανοποιητική. / The aim of the present study is the further understanding and quantification of transport phenomena in porous media and their connection with the phenomena in the scale of a few pores. The extension of the results from the pore-scale to the scale of the porous medium is not obvious and for this reason the representation of the porous medium is treated both with pore-networks and digital reconstruction. Specifically, in this study it is examined the dispersion of molecules of a solute in porous networks, a new reconstruction technique is presented for heterogeneous granular materials and also a methodology is developed for the study of gas flow in reconstructed porous media in the transient regime, where the mean free path of the gas molecules is comparable with the characteristic length of the pores and thus the continuum description is no longer valid. The effect of the mixing in the pores or the junctions of the pores on the dispersion of molecules of a solute in porous media is examined through various simulation techniques with emphasis on the details of the flow and mass transport in the area of the junction. It was found that a new random-walk technique is reproducing with good accuracy the dispersion coefficient for low and average values of the Peclet number, due to the fact that it takes into account the backwards, with respect to the main direction of the flow, movement of the molecules and the different residence time in each branch. Furthermore, a new reconstruction technique was developed for porous media. The technique is based on 2-phase lattice Boltzmann model, which describes the evolution of a gas-liquid system under the influence of the surface tension. This mechanism leads to the creation of correlated structures, where the morphology of the porous medium and the correlation factor are determined by the operating parameters of the model. The technique was applied successfully for the reconstruction of a real soil sample, starting from the information that is solely given from a microphotograph of a statistically adequate section of the material. Finally, the gas flow through porous media was examined at moderate Knudsen numbers, where the mean diameter of the pores is of the same order of magnitude with the mean free path of the gas molecules. The study was done mainly with the mesoscopic DSMC technique. The credibility of the technique was examined through the study of the isothermal gas flow through parallel plates. Additionally, the dynamic viscosity of a gas under rarefaction conditions was calculated and its dependence on the Knudsen number was shown. It was found that the results are approximated satisfactorily with an analytical Bosanquet-type equation that relates the effective viscosity with its value at the continuum limit and with the Knudsen number. Furthermore, it was studied for the first time with the DSMC method the gas flow through reconstructed porous media. The Klinkenberg effect was confirmed and the linear dependence of the permeability coefficient on the inverse pressure was shown. Finally an alternative approach was used for the calculation of gas flow though porous media in the transient regime through the development of a lattice Boltzmann model suitably modified for rarefied gas flows. The model was tested for the case of flow through parallel plates as well as for the case of flow through porous media and the agreement with the DSMC method was very satisfactory.

Η αύξηση της διαθέσιμης Πληροφορίας στον Παγκόσμιο Ιστό είναι ραγδαία. Η παρατήρηση αυτή παρότρυνε πολλούς ερευνητές να επικεντρώσουν το έργο τους στην εξαγωγή χρήσιμων γνωρισμάτων από διαδικτυακά έγγραφα, όπως ιστοσελίδες, εικόνες, βίντεο, με σκοπό τη ενίσχυση της διαδικασίας κατηγοριοποίησης ιστοσελίδων. Ένας πόρος που περιέχει πληροφορία και δεν έχει διερευνηθεί διεξοδικά για γλώσσες εκτός της αγγλικής, είναι η διεύθυνση ιστοσελίδας (URL- Uniform Recourse Locator). Το κίνητρο της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι το γεγονός ότι ένα σημαντικό υποσύνολο των χρηστών του διαδικτύου δείχνει ενδιαφέρον για δικτυακούς πόρους, των οποίων οι διευθύνσεις URL περιλαμβάνουν όρους προερχόμενους από τη μητρική τους γλώσσα (η οποία δεν είναι η αγγλική), γραμμένους με λατινικούς χαρακτήρες. Προτείνεται μέθοδος η οποία θα αναγνωρίζει και θα εξάγει τις λέξεις-κλειδιά από διευθύνσεις ιστοσελίδων (URLs), εστιάζοντας στο ελληνικό Διαδίκτυο και συγκεκριμένα σε URLs που περιέχουν ελληνικούς όρους. Το κύριο ζήτημα της προτεινόμενης μεθόδου είναι ότι οι ελληνικές λέξεις μπορούν να μεταγλωττίζονται με λατινικούς χαρακτήρες σύμφωνα με πολλούς διαφορετικούς τρόπους, καθώς και το γεγονός ότι τα URLs μπορούν να περιέχουν περισσότερες της μιας λέξεις χωρίς κάποιο διαχωριστικό. Παρόλη την ύπαρξη προηγούμενων προσεγγίσεων για την επεξεργασία ελληνικού διαδικτυακού περιεχομένου, όπως αναζητήσεις στο ελληνικό διαδίκτυο και αναγνώριση οντότητας σε ελληνικές ιστοσελίδες, καμία από τις παραπάνω δεν βασίζεται σε διευθύνσεις URL. Επιπλέον, έχουν αναπτυχθεί πολλές τεχνικές για την κατηγοριοποίηση ιστοσελίδων με βάση κυρίως τις διευθύνσεις URL, αλλά καμία δεν διερευνά την περίπτωση του ελληνικού διαδικτύου. Η προτεινόμενη μέθοδος περιέχει δύο βασικά στοιχεία: το μεταγλωττιστή και τον κατακερματιστή. Ο μεταγλωττιστής, βασισμένος σε ένα ελληνικό λεξικό και ένα σύνολο κανόνων, μετατρέπει τις λέξεις που είναι γραμμένες με λατινικούς χαρακτήρες σε ελληνικούς όρους ενώ παράλληλα ο κατακερματιστής τμηματοποιεί τη διεύθυνση URL σε λέξεις με νόημα, εξάγοντας, έτσι τελικά ελληνικούς όρους που αποτελούν λέξεις κλειδιά. Η πειραματική αξιολόγηση της προτεινόμενης μεθόδου σε δείγμα ελληνικών URLs αποδεικνύει ότι μπορεί να αξιοποιηθεί εποικοδομητικά στην αυτόματη αναγνώριση λέξεων-κλειδιών σε ελληνικά URLs. / The available information on the WWW is increasing rapidly. This observation has triggered many researchers to focus their work on extracting useful features from web documents that would enhance the task of web classification. A quite informative resource that has not been thoroughly explored for languages other than English, is the uniform recourse locator (URL). Motivated by the fact that a significant part of the Web users is interested in web resources, whose URLs contain terms from their non English native languages,written using Latin characters, we propose a method that identifies and extracts successfully keywords within URLs focusing on the Greek Web and especially ons URLs, containing Greek terms. The main issue of this approach is that Greek words can be transliterated to Latin characters in many different ways based on how the words are pronounced rather than on how they are written. Although there are previous attempts on similar issues, like Greek web searches and entity recognition in Greek Web Pages, none of them is based on URLs. In addition, there are many techniques on web page categorization based mainly on URLs but noone explores the case of Greek terms. The proposed method uses a three-step approach; firstly, a normalized URL is divided into its basic components, according to URI protocol (scheme :// host / path-elements / document . extension). The domain part is splitted on the apperance of punctuation marks or numbers. Secondly, domain-tokens are segmented into meaningful tokens using a set of transliteration rules and a Greek dictionary. Finally, in order to identify useful keywords, a score is assigned to each extracted keyword based on its length and whether the word is nested in another word. The algorithm is evaluated on a random sample of 1,000 URLs collected manually. We perform a human-based evaluation comparing the keywords extracted automatically with the keywords extracted manually when no other additional information than the URL is available. The results look promising.

Έχει διαπιστωθεί ότι η διαχείριση και η προστασία των υδατικών πόρων στον ελληνικό χώρο βρίσκεται σε αρκετά πρώιμο στάδιο. Αν και η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει εκδώσει Κοινοτικές Οδηγίες που καλύπτουν την ανάγκες ενός πλαισίου διαχείρισης αυτών από το 2000, η ένταξή τους στην ελληνική πραγματικότητα δεν έχει επιτευχθεί πλήρως μέχρι σήμερα. Ειδικότερα όσον αφορά τους υδατικούς πόρους που κατανέμονται μεταξύ δύο ή και περισσότερων διοικητικών ενοτήτων, η αειφορική διαχείριση και προστασία τους γίνεται ακόμα δυσκολότερη, καθώς στις περισσότερες των περιπτώσεων δεν είναι δυνατή η σύσταση ενιαίου φορέα διαχείρισής τους. Κρίνεται, λοιπόν, αναγκαία η συλλογή και καταγραφή των δραστηριοτήτων που φαίνεται να επηρεάζουν αρνητικά την ποιότητα των υδάτων και του γύρω περιβάλλοντος της περιοχής. Ακόμη, ιδιαίτερα βοηθητική θεωρείται η καταχώρηση αυτών σε ηλεκτρονικές βάσεις δεδομένων, ώστε να είναι ευκολότερη η συλλογική εύρεση και επεξεργασία τους. Σημαντικό μέρος των δεδομένων αυτών (π.χ. πηγές ρύπανσης) διαθέτει και χωρική πληροφορία, με συνέπεια οι βάσεις δεδομένων που θα αναπτυχθούν να ενισχύονται υποχρεωτικά με χωρικές λειτουργίες. Αυτό είναι εφικτό με τη δημιουργία χωρικών βάσεων δεδομένων, οι οποίες μπορούν να αποθηκεύουν, να διαχειρίζονται και να ανακτούν με αποτελεσματικότητα μεγάλο όγκο χωρικής πληροφορίας. Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας αποτελεί ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός συστήματος χωρικής βάσης δεδομένων για τη λεκάνη απορροής του Αλφειού ποταμού, καθώς η συλλογή στοιχείων για τις δραστηριότητες που αναπτύσσονται γύρω από τον ποταμό ανέδειξε σημαντικά προβλήματα ρύπανσης και υποβάθμισης της ποιότητας των υδάτων της περιοχής. Επιδιώκεται η συγκέντρωση, ανάλυση και επεξεργασία όλων των χαρακτηριστικών της περιοχής που επηρεάζουν αρνητικά τους υδατικούς πόρους και το περιβάλλον αυτής, με στόχο τον υπολογισμό των ρυπαντικών φορτίων που καταλήγουν στον Αλφειό. Στα πρώτα κεφάλαια της εργασίας παρουσιάζεται το νομοθετικό πλαίσιο σχετικά με τη διαχείριση των υδατικών πόρων σε ευρωπαϊκό και εθνικό επίπεδο, καθώς και τα βασικά χαρακτηριστικά της υφιστάμενης κατάστασης της λεκάνης απορροής, τα οποία επηρεάζουν άμεσα ή έμμεσα τους υδατικούς πόρους, καθώς και ποιοι είναι αυτοί. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται ο καθορισμός των απαιτήσεων των χρηστών και ο σχεδιασμός της βάσης δεδομένων, όπου παρατίθενται τα δεδομένα που πρόκειται να εισαχθούν στη βάση. Ακολούθως, αναλύονται οι τεχνολογίες το λογισμικό ελεύθερου και ανοιχτού κώδικα και που επιλέχθηκε για τη σύσταση της βάσης. Σε τελικό στάδιο περιγράφεται η διαδικασία υλοποίησης της βάσης και πραγματοποιείται ο υπολογισμός των ρυπαντικών φορτίων αζώτου (Ν), φωσφόρου (Ρ) και οργανικών ενώσεων μέσω της εκτέλεσης πολύπλοκων και σύνθετων ερωτημάτων επί των δεδομένων με χρήση της Γλώσσας Δομικής Αναζήτησης (SQL). / It has been established that the management and protection of water resources in Greece is at a very early stage. Even though the European Union issued EU Directives that cover the needs of such a management framework since 2000, the integration into the Greek reality has not been fully achieved so far. In particular regarding water resources allocated between two or more administrative units, the sustainable management and protection becomes even more difficult, since in most cases a single management structure is unable to be established. Therefore, the collection and recording of activities that seem to adversely affect the quality of the water and the surrounding environment of the region is necessary. Still, particularly auxiliary is the inclusion on electronic databases, so it is easier to find collective and edit them. An important part of such data (e.g. pollution sources) has spatial information, so the databases will be developed in order to be assisted with spatial functions required. This is possible by creating spatial databases that can store, manage and retrieve efficiently large volumes of spatial information. The purpose of this thesis is the design and implementation of a system of a spatial database for the catchment area of the River Alfeios (Alpheus). As the collection of data on the activities developed around the river showed, there are significant problems of pollution and degradation of water quality in the region. It is pursued the collection, analysis and processing of all the features of the area negatively affecting water resources and the environment, in order to estimate pollutant loads, resulting in Alfeios. In the first chapters of the thesis are presented the legislative framework for the management of water resources at European and national level and the basic characteristics of the existing situation in the catchment area, which directly or indirectly affect water resources and what they are. Then, take place the setting of user requirements and the design of the database, in which the data are going to be imported. Next, analyzes the technologies, as well as the free and open source software chosen for the establishment of the base. At the final stage, the implementation process of the base is described and the calculation of pollutant loads of nitrogen (n), phosphorus (p) and organic compounds through the execution of complex and compound queries on data using Structural Query Language (SQL).

Το αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι η μελέτη της διαστρωματικής (cross-layer) προσέγγισης ανάπτυξης ασύρματων δικτύων κατανεμημένης λειτουργίας με απαιτήσεις επικοινωνίας πραγματικού χρόνου και περιορισμένους διαθέσιμους πόρους. Επιπλέον βασικό στόχο αποτελεί και η σχεδίαση, πρόταση αντίστοιχης αρχιτεκτονικής η οποία στοχεύει στη βέλτιστη διαχείριση διαθεσίμων δικτυακών πόρων σε καταστάσεις συμφόρησης του δικτύου και κατά συνέπεια στην βελτίωση της απόδοσης αυτού. Μέσα από μελέτες στα πλαίσια της διατριβής αναδεικνύεται η σημασία του φαινομένου συμφόρησης ως κύριου παράγοντα σπατάλης δικτυακών πόρων καθώς και οδήγησης του δικτύου σε κατάσταση κορεσμού με αρνητική επίπτωση σε όλες τις παραμέτρους απόδοσης του δικτύου. Στόχος, λοιπόν, της προτεινόμενης επικοινωνιακής αρχιτεκτονικής είναι η αποφυγή του φαινομένου συμφόρησης έτσι ώστε το δίκτυο να οδηγείται δυναμικά σε ένα σταθερό σημείο απόδοσης (όσο αυτό είναι δυνατό) το οποίο θα επιτρέπει στο δίκτυο να αποδίδει όσο το δυνατόν καλύτερα αποφεύγοντας τη ίδια στιγμή άσκοπη σπατάλη πόρων. Βασική παράμετρος στη σχεδίαση αποτελεί η συμβατότητα τόσο ως προς σημαντικό εύρος διαθέσιμων πρωτοκόλλων σε διάφορα επίπεδα, όσο και ως προς τη δυνατότητα συνύπαρξης κόμβων που ενσωματώνουν την προτεινόμενη αρχιτεκτονική με κόμβους χωρίς αυτήν. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική υλοποιήθηκε στα πλαίσια γνωστού και αξιόπιστου δικτυακού εξομοίωση. Αξιολόγηση της υλοποίησης αυτής μέσα από μεγάλο αριθμό πειραμάτων έδειξε επίτευξη του στόχου καθώς το φαινόμενο της συμφόρησης αντιμετωπίστηκε σε όλες τις περιπτώσεις με σημαντικά οφέλη στην απόδοση του δικτύου και διαχείριση των πόρων. Επιπλέον, λόγω του μεγάλου βαθμού παραμετροποίησης αποτελεί ιδανική βάση για μελλοντικές προεκτάσεις. / This objective of this dissertation is the study of cross-layer approach applied on the development of distributed wireless networks with real-time response demands and scarce available resources. Furthermore, another main goal is the design and proposal of a respective network architecture aiming at optimum resource management under congestion scenarios and therefore maximization of network performance. Through various studies undertaken in the context of this dissertation the importance of the congestion problem is presented as a main factor leading the network to resource waste and saturation conditions negatively affecting all network performance metrics. Consequently, this dissertation aims in proposing a cross-layer architecture able to detect and tackle congestion phenomenon by dynamically retaining network performance at a steady state (as than is possible) where network performs optimally and resource waste in minimized. Among others, a main parameter is retaining compatibility with a wide range of widely used protocols of various layers as well compatibility concerning the coexistence in the same network of stations supporting with stations not supporting the proposed architecture. The proposed architecture is implemented in the context of widely known and used network simulator. Evaluation of this implementation through numerous simulations showed that the objectives are met since congestion phenomenon is tackled in most cases with significant benefits concerning network performance and resource management. Furthermore, due to the high parametrization degree it constitutes a very good base for future expansions.

Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων αποτελούν μία πρωτοποριακή τεχνολογία που ήρθε στο προσκήνιο πριν από μία περίπου δεκαετία. Η καινοτομία της τεχνολογίας αυτής έγκειται στη συνεργασία μεγάλου αριθμού κόμβων περιορισμένων πόρων χαμηλής κατανάλωσης ισχύος σε μία μόνο εφαρμογή. Η εργασία αυτή ασχολείται με θέματα ενδιάμεσου λογισμικού σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Συγκεκριμένα, μελετάται το πρωτόκολλο Deluge που αποτελεί τη βασική επιλογή για ασύρματο προγραμματισμό δικτύων αισθητήρων που «τρέχουν» το λειτουργικό σύστημα πραγματικού χρόνου TinyOS. Παρέχοντας έναν αξιόπιστο και αποδοτικό μηχανισμό διάδοσης δεδομένων μέσω της δυαδικής εικόνας του κώδικα, το Deluge κατέχει ρόλο-κλειδί στη βαθμίδα ενδιάμεσου λογισμικού των ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Η μελέτη και κατανόηση του πρωτοκόλλου αυτού επέτρεψε την υλοποίηση σε nesC ενός απλούστερου πρωτοκόλλου που αξιοποιεί τα βασικά χαρακτηριστικά του μηχανισμού μετάδοσης δεδομένων του Deluge. Σε συνέχεια αυτής της υλοποίησης, αξιολογήθηκε εκ νέου η διαδικασία μετάδοσης πραγματοποιώντας δοκιμές τόσο σε πραγματικές τοπολογίες κόμβων αισθητήρων (motes) που υποστηρίζουν το πρότυπο ασύρματης επικοινωνίας IEEE 802.15.4 όσο και σε περιβάλλον προσομοίωσης (TOSSIM). Τα προκύπτοντα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την αποδοτική μετάδοση δεδομένων σε δίκτυα αισθητήρων αξιοποιώντας το πρωτόκολλο Deluge. Η παρούσα εργασία αποτελείται από έξι κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο παρέχει πληροφορίες για το γνωστικό αντικείμενο της εργασίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται μία μελέτη στην ερευνητική περιοχή των ασύρματων δικτύων αισθητήρων και στο τρίτο κεφάλαιο εξετάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά ενός κόμβου αισθητήρων που υποστηρίζει το πρότυπο IEEE 802.15.4. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η έννοια του ασύρματου προγραμματισμού στα δίκτυα αισθητήρων και μελετάται εκτενώς το πρωτόκολλο Deluge. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η υλοποίηση που έλαβε χώρα και η αξιολόγηση αυτής με τους μηχανισμούς που αναφέρθηκαν παραπάνω. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο παρατίθενται τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από την εκπόνηση της εν λόγω εργασίας και δίνονται ορισμένες κατευθύνσεις για μελλοντική ενασχόληση με το Deluge και με το ενδιάμεσο λογισμικό στα δίκτυα αισθητήρων γενικότερα. / Wireless sensor networks (WSNs) emerged about a decade ago, representing a new class of computing with large numbers of resource-constrained computing nodes cooperating on a single application. This thesis deals with middleware issues in wireless sensor networks. Specifically, we study Deluge that suggests the de facto over-the-air programming protocol for WSNs working under TinyOS. Providing a reliable and efficient data dissemination mechanism via the binary image of the program code, Deluge plays a key role in the middleware layer of WSNs. Gaining insight into Deluge, we implemented in the nesC programming language a simplified protocol that incorporates the main features of Deluge data dissemination mechanism. This implementation allowed us to evaluate further the propagation procedure of Deluge using a two-mechanism evaluation framework. Carrying out experiments both in real-world deployments being compatible with IEEE 802.15.4 radio and in a simulation environment (TOSSIM), we verified the efficient data propagation in WSNs, using Deluge. This dissertation follows a structure of six chapters. In the first chapter, we give a piece of information about the subject field of this thesis. In the second chapter, we present an overall survey of the research area of WSNs and in the third chapter we examine the basic features of a sensor node (mote) whose wireless communication is based on an IEEE 802.15.4 compliant radio. In the fourth chapter, we discuss network programming in WSNs and we analyze the data dissemination mechanism of Deluge. In the fifth chapter, we discuss our implementation and its evaluation. Finally, in the sixth chapter, we conclude the thesis emphasizing the experience derived from that and we give some directions for future work with Deluge and middleware in WSNs generally.

Η μεγάλη διαθεσιμότητα ευρυζωνικής πρόσβασης και η πληθώρα νέων διαδικτυακών υπηρεσιών οδήγησε στην ενσωμάτωση του διαδικτύου στην καθημερινότητά μας. Οι χρήστες του διαδικτύου μέσα στο 2011 έφτασαν το 1.5 δισεκατομμύριο με έντονα αυξητικές τάσεις, ιδιαιτέρως σε χώρες της Ασίας. Αυτή η αύξηση έχει γίνει εφικτή χάρη στο τεράστιο εύρος ζώνης και την υψηλή αξιοπιστία των οπτικών τηλεπικοινωνιακών δικτύων κορμού σε συνδυασμό με το όλο και μειούμενο κόστος ανά bit της μεταδιδόμενης πληροφορίας. Πρόσφατες μελέτες έχουν καταδείξει ότι η πλειοψηφία του μεταδιδόμενου όγκου δεδομένων στο διαδίκτυο (>50%) μεταδίδεται μέσω του πρωτοκόλλου HTTP, με ισχυρές ενδείξεις ότι το ενδιαφέρον των χρηστών απομακρύνεται από τις P2P εφαρμογές σε υπηρεσίες video/audio streaming και κοινωνικής δικτύωσης. Όμως, ενώ σταδιακά εμφανίζεται η ανάγκη για επόμενης γενιάς υπηρεσιών δικτύου, (e- science, τηλεργασία, HD-IPTV, VOD) με ιδιαίτερες απαιτήσεις σε εύρος ζώνης, ποιότητα υπηρεσίας και καθυστέρηση τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα στις μέρες μας είναι προσανατολισμένα στο να παρέχουν χαμηλού κόστους «best effort» υπηρεσίες χωρίς κανενός είδους εγγυήσεις. Η έλευση καινοτομικών διαδικτυακών υπηρεσιών έχει σαν αποτέλεσμα σταδιακά η χωρητικότητα των (ηλεκτρονικών) συσκευών μεταγωγής να γίνεται το σημείο συμφόρησης, αφού η μετατροπή των πακέτων στο ηλεκτρονικό πεδίο και η ένα-προς-ένα επεξεργασία των επικεφαλίδων τους δεν είναι κλιμακώσιμη σε ρυθμούς διαμεταγωγής της τάξης των Tbps. Η αρχιτεκτονική μεταγωγής οπτικής ριπής (OBS) μπορεί να δώσει λύση σε αυτό το πρόβλημα, χάρη στα σημαντικά της πλεονεκτήματα. Στην αρχιτεκτονική OBS, τα πακέτα δεδομένων συναθροίζονται σε ριπές (bursts) οι οποίες μεταδίδονται χωρίς προ-εγκατάσταση κυκλώματος, και μετάγονται με διαφανή-οπτικό τρόπο από την πηγή στον προορισμό. Επίσης η αρχιτεκτονική OBS είναι η μόνη (πρακτικά εφαρμόσιμη) αμιγώς οπτική τεχνολογία μεταγωγής με sub-lambda ικανότητες δέσμευσης πόρων. Η επίλυση ενός αριθμού ανοιχτών προβλημάτων που αντιμετωπίζει η αρχιτεκτονική OBS θα επιτρέψει την εμπορική αξιοποίησή της στα δίκτυα κορμού των τηλεπικοινωνιακών παρόχων. Στόχος μας στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής έρευνας είναι η πρόταση καινοτομικών πρωτοκόλλων και αρχιτεκτονικών που δίνουν λύσεις σε ανοιχτά προβλήματα της τεχνολογίας OBS. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αρχικά στρέφουμε την προσοχή μας στην αποδοτική μετάδοση TCP κίνησης πάνω από OBS δίκτυα. Πρόκειται για ένα δύσκολο πρόβλημα που έχει μελετηθεί εκτενώς στη βιβλιογραφία, λόγω της ευαισθησίας του TCP πρωτόκολλου στις απώλειες πακέτων, οι οποίες συμβαίνουν στα OBS δίκτυα λόγω ανταγωνισμού ριπών ακόμα και σε συνθήκες χαμηλού φορτίου. Στη βιβλιογραφία έχουν προταθεί πληθώρα λύσεων για την αντιμετώπιση του προβλήματος, τόσο στο OBS domain (π.χ. με τη χρήση κατάλληλων πρωτόκολλων χρονοπρογραμματισμού) όσο και στο TCP domain (βελτίωση του TCP πρωτοκόλλου). Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε μια σειρά εκτενών προσομοιώσεων σε ρεαλιστικές συνθήκες με χιλιάδες ενεργές TCP πηγές, που εστιάζουν στην κατανομή TCP πακέτων και συνόδων στις μεταδιδόμενες ριπές καθώς και στη συμπεριφορά του παράθυρου συμφόρησης. Το συμπέρασμά μας ήταν ότι οι αλγόριθμοι συναρμολόγησης με μοναδικό κατώφλι εμφανίζουν βέλτιστη απόδοση μόνο για συγκεκριμένες TCP πηγές με κοινά χαρακτηριστικά, προτείνοντας τους αλγόριθμους συναρμολόγησης πολλαπλών κλάσεων σαν πιθανή λύση. Οι τελευταίοι δείξαμε ότι μπορούν να οδηγήσουν σε βελτίωση του TCP throughput, όταν κάθε κατηγορία TCP πηγής ανατίθεται σε διαφορετική κλάση συναρμολόγησης με διαφορετικό assembly timer. Ένα ακόμα πρόβλημα που παρατηρήθηκε κατά τη μεταφορά TCP κίνησης σε OBS δίκτυα και μελετήθηκε στις προσομοιώσεις μας ήταν ο συγχρονισμός των TCP πηγών. Η απώλεια πολλαπλών TCP πακέτων με μία χαμένη ριπή συχνά οδηγούσε σε συγχρονισμό των TCP πηγών που μεταφέρονταν στη ριπή, ένα πρόβλημα που χειροτέρευε όσο αύξανε η πιθανότητα απώλειας ριπής. Για την αντιμετώπιση του συγχρονισμού των TCP πηγών, προτάθηκαν μια σειρά από αλγόριθμοι συναρμολόγησης πολλαπλών κλάσεων, οι οποίοι εισάγουν ένα βαθμό τυχαιότητας στην ανάθεση TCP πηγών σε κλάσεις συναρμολόγησης για την αποφυγή του συγχρονισμού. Στη συνέχεια στρέψαμε το ενδιαφέρον μας στο πρόβλημα παροχής ποιότητας υπηρεσίας σε ένα OBS δίκτυο με υποστήριξη πολλαπλών κλάσεων, στοχεύοντας στην αποδοτική μετάδοση βίντεο κίνησης. Συγκεκριμένα, προτείναμε ένα νέο σχήμα παροχής ποιότητας υπηρεσίας το οποίο βασίζεται στην τεχνική των burst preemptions. Για να έχουμε μια ρεαλιστική εκτίμηση της βελτίωσης ποιότητας της βίντεο κίνησης, χρησιμοποιήσαμε μετρικές σχετικά με την αντιληπτή ποιότητα της video κίνησης, όπως το MOS score και το PSNR. Στη συνέχεια προτείνουμε μια νέα αρχιτεκτονική για δημιουργία προφίλ και πρόβλεψη κίνησης σε δίκτυα μεταγωγής οπτικής ριπής, με στόχο τη βελτιστοποίηση της μετάδοσης TCP κίνησης. Σε αυτή την αρχιτεκτονική, ένας TCP profiler υπολογίζει ένα σύνολο στατιστικών στοιχείων για τις ενεργές TCP πηγές παράλληλα με τη διαδικασία συναρμολόγησης ριπής. Αυτά αξιοποιούνται για την κατασκευή του μοντέλου κίνησης στο οποίο βασίζεται η πρόβλεψη του μεγέθους ριπών σε ένα χρονικό παράθυρο μήκους τουλάχιστον ίσου με RTT. Η πρόβλεψη του μεγέθους των ριπών επιτρέπει την εκ των προτέρων ενημέρωση των χρονοπρογραμματιστών του δικτύου κομού για επερχόμενες μεταβολές στην κίνηση του δικτύου, ώστε να επανα-χρονοπρογραμματίσει τις δεσμεύσεις πόρων με βέλτιστο τρόπο. Για την εκ των προτέρων ενημέρωση των κόμβων κορμού προτείνεται ένα νέο πρωτόκολλο προληπτικής δέσμευσης πόρων, του οποίου η συνεισφορά την απόδοση του δικτύου και τη χρησιμοποίηση των τηλεπικοινωνιακών γραμμών αξιολογείται με ένα σύνολο λεπτομερών προσομοιώσεων. Στο τελευταίο μέρος της διδακτορικής διατριβής στρέφουμε το ενδιαφέρον μας στις υβριδικές οπτικές αρχιτεκτονικές. Επειδή καμία οπτική δικτυακή τεχνολογία δε δίνει λύση σε όλα τα προβλήματα και τις απαιτήσεις των μελλοντικών οπτικών τηλεπικοινωνιακών δικτύων, πολλά υποσχόμενες είναι οι λεγόμενες υβριδικές τεχνολογίες οι οποίες συνδυάζουν χαρακτηριστικά από περισσότερες της μίας βασικές αρχιτεκτονικές (OBS, OCS και OPS). Σε αυτά τα πλαίσια προτείνεται η νέα υβριδική αρχιτεκτονική HOBS (Hybrid Optical Burst Switching) η οποία εκμεταλλεύεται τις κενές περιόδους κατά την εγκατάσταση κυκλωμάτων ενός Dynamic Circuit Switching δικτύου για τη μετάδοση ριπών δεδομένων. / The wide availability of broadband access has allowed users to tightly integrate network use into their daily lives. There will be 1.5 billion people with Internet access in 2011 and a big growth rate in the online population, primarily occurring in Brazil, Russia, India and China. This growth has been made possible due to the vast capacity of optical core networks, and the decreasing cost per bit. New research has shown that P2P no longer dominates internet traffic; HTTP is now dominant in terms of bytes transmitted by a big margin for a significant fraction of the Internet. User’s interest has shifted to new video/audio streaming services and social networking sites. However while new generation services are emerging, such as e-science, HD-IPTV and VOD, with high bandwidth requirements and special QoS needs modern commercial networks are engineered for low cost, best effort access. The advent of innovative web services along with the phenomenal increase of internet traffic has resulted in the capacity of electronic routers becoming the bottleneck point of modern telecommunication networks. With terabit-per-second bandwidths, IP routing that converts optical signals into electric signals and identifies IP headers one-by-one cannot meet the demands. Optical Burst Switching (OBS) architecture has beed proposed as a near- term solution to this problem. Data packets in OBS are assembled to bursts which are immediately transmitted without acknowledgements and switched all-optically in the network core. OBS is the only practical optical switch architecture that can offer sub-wavelength resource reservation. However, there are a set of limitations and open problems that hinder the wider adoption of OBS architecture. The contribution of this thesis is a set of innovative algorithms, protocols and architectures for OBS networks to enhance performance in real world networks. These include –but are not limited to– burst assembly and scheduling algorithms, reservation protocols and QoS differentiation. The efficient transmission of TCP traffic over OBS networks is a challenging problem in OBS networks, due to the high sensitivity of TCP congestion control mechanism to burst losses. Various burst assembly and burst scheduling algorithms have been proposed in the literature, to enhance the efficient transmission of TCP over OBS networks. However it still remains an open problem, since the relatively high burst loss ratio experienced in OBS networks is incompatible with TCP congestion control mechanism. It has been observed that burst losses have a significant impact on the TCP end-to-end performance. One burst loss typically results in many sources timing out and subsequently entering the slow start phase. In this thesis, we study the problem of TCP over OBS transmission through extensive simulations in a real-world scenario, with thousands of active TCP connections. We conclude that fixed timer-based burstifiers are not appropriate, since they do not provide maximum performance but only optimal performance for individual flows with similar characteristics. To address this problem, in this thesis we propose multi-class burst assembly algorithms. We have shown that these can lead to an enhanced TCP throughput, by assigning a different assembly timer to each class of service. In our simulations we observed that burst losses would often result in synchronizing TCP transmissions with an imminent effect on link utilization. This phenomenon was caused by multiple packet losses from different TCP flows in a single round and was exaggerated with high burst loss ratios. Thus, to avoid flow synchronization we proposed a set of multi-class burst assembly algorithms, where the assignment of flows to classes of service was non-deterministic. We then turned our attention to the problem of QoS provisioning in a multi-class OBS network. Our goal was to provide QoS differentiation to the transmission of video traffic over OBS networks. We propose a QoS-aware scheduling algorithm that supports QoS differentiation based on preemptions, which are controlled by a novel preemption policy. Performance evaluation of the proposed scheme is based on throughput measurements for the best effort class, and perceived quality metrics like PSNR and MOS scores for the video streaming class. We then turn our attention to a new TCP-specific traffic profiling and prediction scheme, which is proposed with the aim to optimize TCP transmission over one-way OBS networks. Traffic prediction is an interesting approach for the enhancement of TCP performance over OBS. If it would be possible to accurately predict TCP flows’ throughput, it would also be possible to predict burst sizes. That would allow making reservations of the appropriate resources in advance, enhancing network performance and improving bandwidth utilization. In the proposed scheme the burst assembly unit inspects TCP packet headers in parallel to the assembly process, keeping flow-level traffic statistics. These are then exploited to derive accurate traffic predictions, in at least one RTT-long prediction window. This allows in-advance notifying traffic schedulers of upcoming traffic changes, in order to optimally re-schedule their resource reservations. In this paper, we detail the traffic profiling and prediction mechanism and also provide analytical and simulation results to assess its performance. The performance gains, when using the prediction scheme are shown with a modified one-way OBS reservation protocol, which efficiently and in advance reserves resources at the burst level. In the final part of this thesis we turn our attention to hybrid optical networks. Since no single optical switch architecture covers all requirements of future telecommunication networks, hybrid architectures that combine the merits of two or more optical switch architectures are considered very promising. In this thesis, we present a radically different hybrid optical burst switch (HOBS) architecture that combines one-way with two-way reservation under a single, unified control plane (hybrid signaling) for QoS differentiation. It takes advantage of the idle, round-trip time delay during lightpath establishment phase to transmit one-way data bursts of a lower class of service, while high priority data explicitly requests and establishes end-to-end connections (lightpaths), as in wavelength-routed OBS.

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.