Transport Control Protocol (TCP) is the dominant protocol in modern communication networks, in which the issues of reliability, flow, and congestion control must be handled efficiently. This thesis studies the impact of the next-generation bufferless optical burst-switched (OBS) networks on the performance of TCP congestion-control implementations (i.e., dropping-based, explicit-notification-based, and delay-based). The burst contention phenomenon caused by the buffer-less nature of OBS occurs randomly and has a negative impact on dropping-based TCP since it causes a false indication of network congestion that leads to improper reaction on a burst drop event. In this thesis we study the impact of these random burst losses on dropping-based TCP throughput. We introduce a novel congestion control scheme for TCP over OBS networks, called Statistical Additive Increase Multiplicative Decrease (SAIMD). SAIMD maintains and analyzes a number of previous round trip times (RTTs) at the TCP senders in order to identify the confidence with which a packet-loss event is due to network congestion. The confidence is derived by positioning short-term RTT in the spectrum of long-term historical RTTs. The derived confidence corresponding to the packet loss is then taken in to account by the policy developed for TCP congestion-window adjustment. For explicit-notification TCP, we propose a new TCP implementation over OBS networks, called TCP with Explicit Burst Loss Contention Notification (TCP-BCL). We examine the throughput performance of a number of representative TCP implementations over OBS networks, and analyze the TCP performance degradation due to the misinterpretation of timeout and packet-loss events. We also demonstrate that the proposed TCP-BCL scheme can counter the negative effect of OBS burst losses and is superior to conventional TCP architectures in OBS networks. For delay-based TCP, we observe that this type of TCP implementation cannot detect network congestion when deployed over typical OBS networks since RTT fluctuations are minor. Also, delay-based TCP can suffer from falsely detecting network congestion when the underlying OBS network provides burst retransmission and/or deflection. Due to the fact that burst retransmission and deflection schemes introduce additional delays for bursts that are retransmitted or deflected, TCP cannot determine whether this sudden delay is due to network congestion or simply to burst recovery at the OBS layer. In this thesis we study the behaviour of delay-based TCP Vegas over OBS networks, and propose a version of threshold-based TCP Vegas that is suitable for the characteristics of OBS networks. The threshold-based TCP Vegas is able to distinguish increases in packet delay due to network congestion from burst contention at low traffic loads. The evolution of OBS technology is highly coupled with its ability to support upper-layer applications. Without fully understanding the burst transmission behaviour and the associated impact on the TCP congestion-control mechanism, it will be difficult to exploit the advantages of OBS networks fully.

Transport Control Protocol (TCP) is the dominant protocol in modern communication networks, in which the issues of reliability, flow, and congestion control must be handled efficiently. This thesis studies the impact of the next-generation bufferless optical burst-switched (OBS) networks on the performance of TCP congestion-control implementations (i.e., dropping-based, explicit-notification-based, and delay-based). The burst contention phenomenon caused by the buffer-less nature of OBS occurs randomly and has a negative impact on dropping-based TCP since it causes a false indication of network congestion that leads to improper reaction on a burst drop event. In this thesis we study the impact of these random burst losses on dropping-based TCP throughput. We introduce a novel congestion control scheme for TCP over OBS networks, called Statistical Additive Increase Multiplicative Decrease (SAIMD). SAIMD maintains and analyzes a number of previous round trip times (RTTs) at the TCP senders in order to identify the confidence with which a packet-loss event is due to network congestion. The confidence is derived by positioning short-term RTT in the spectrum of long-term historical RTTs. The derived confidence corresponding to the packet loss is then taken in to account by the policy developed for TCP congestion-window adjustment. For explicit-notification TCP, we propose a new TCP implementation over OBS networks, called TCP with Explicit Burst Loss Contention Notification (TCP-BCL). We examine the throughput performance of a number of representative TCP implementations over OBS networks, and analyze the TCP performance degradation due to the misinterpretation of timeout and packet-loss events. We also demonstrate that the proposed TCP-BCL scheme can counter the negative effect of OBS burst losses and is superior to conventional TCP architectures in OBS networks. For delay-based TCP, we observe that this type of TCP implementation cannot detect network congestion when deployed over typical OBS networks since RTT fluctuations are minor. Also, delay-based TCP can suffer from falsely detecting network congestion when the underlying OBS network provides burst retransmission and/or deflection. Due to the fact that burst retransmission and deflection schemes introduce additional delays for bursts that are retransmitted or deflected, TCP cannot determine whether this sudden delay is due to network congestion or simply to burst recovery at the OBS layer. In this thesis we study the behaviour of delay-based TCP Vegas over OBS networks, and propose a version of threshold-based TCP Vegas that is suitable for the characteristics of OBS networks. The threshold-based TCP Vegas is able to distinguish increases in packet delay due to network congestion from burst contention at low traffic loads. The evolution of OBS technology is highly coupled with its ability to support upper-layer applications. Without fully understanding the burst transmission behaviour and the associated impact on the TCP congestion-control mechanism, it will be difficult to exploit the advantages of OBS networks fully.

Wavelength division multiplexed (WDM) optical networks are rapidly becoming the technology of choice in next-generation Internet architectures. This dissertation addresses the important issues of improving four aspects of optical networks, namely, routing efficiency, fairness, differentiated quality of service (QoS) and throughput. A new approach for implementing efficient routing and wavelength assignment in WDM networks is proposed and evaluated. In this approach, the state of a multiple-fiber link is represented by a compact bitmap computed as the logical union of the bitmaps of the free wavelengths in the fibers of this link. A modified Dijkstra's shortest path algorithm and a wavelength assignment algorithm are developed using fast logical operations on the bitmap representation. In optical burst switched (OBS) networks, the burst dropping probability increases as the number of hops in the lightpath of the burst increases. Two schemes are proposed and evaluated to alleviate this unfairness. The two schemes have simple logic, and alleviate the beat-down unfairness problem without negatively impacting the overall throughput of the system. Two similar schemes to provide differentiated services in OBS networks are introduced. A new scheme to improve the fairness of OBS networks based on burst preemption is presented. The scheme uses carefully designed constraints to avoid excessive wasted channel reservations, reduce cascaded useless preemptions, and maintain healthy throughput levels. A new scheme to improve the throughput of OBS networks based on burst preemption is presented. An analytical model is developed to compute the throughput of the network for the special case when the network has a ring topology and the preemption weight is based solely on burst size. The analytical model is quite accurate and gives results close to those obtained by simulation. Finally, a preemption-based scheme for the concurrent improvement of throughput and burst fairness in OBS networks is proposed and evaluated. The scheme uses a preemption weight consisting of two terms: the first term is a function of the size of the burst and the second term is the product of the hop count times the length of the lightpath of the burst.

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.