Σε ένα δίκτυο πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing - WDM), κάθε οπτική ίνα μεταφέρει κίνηση υψηλού ρυθμού σε διαφορετικά μήκη κύματος δημιουργώντας έναν αριθμό από µη επικαλυπτόμενα κανάλια μέσα σε μία μόνο ίνα. Η πιο κοινή αρχιτεκτονική που χρησιμοποιείται για την επικοινωνία σε WDM οπτικά δίκτυα είναι η δρομολόγηση μηκών κύματος, όπου οπτικοί παλμοί μεταδίδονται μέσω οπτικών μονοπατιών, δηλαδή αμιγώς WDM κανάλια που μπορεί να διατρέχουν έναν αριθμό από συνεχόμενες ίνες. Τα σημερινά οπτικά δίκτυα κορμού είναι κυρίως δίκτυα από σημείο σε σημείο (αδιαφανή), όπου το σήμα αναγεννάται σε κάθε ενδιάμεσο κόμβο μέσω οπτο-ηλεκτρο-οπτικής (ΟΕΟ) μετατροπής. Η τάση που επικράτησε τα προηγούμενα χρόνια δείχνει μία εξέλιξη σε δίκτυα χαμηλού κόστους και υψηλής χωρητικότητας που δεν χρησιμοποιούν OEO μετατροπή. Αρχικά, το κόστος ενός αδιαφανούς δικτύου μπορεί να μειωθεί με την μετακίνηση σε ένα δίκτυο όπου η OEO μετατροπή γίνεται μόνο σε ορισμένους κόμβους, το οποίο συνήθως αναφέρεται ως ημιδιαφανές δίκτυο. Ο στόχος είναι η ανάπτυξη ενός αμιγώς διάφανου οπτικού δικτύου όπου το σήμα θα παραμένει σε οπτική μορφή κατά μήκος ολόκληρου του οπτικού μονοπατιού. Δεδομένου ότι τα οπτικά μονοπάτια είναι οι βασικές οντότητες μεταγωγής ενός WDM δικτύου δρομολόγησης μήκους κύματος, η αποτελεσματική εγκατάσταση τους είναι υψηλής σημασίας. Επομένως, είναι σημαντικό να προτείνουμε αποδοτικούς αλγορίθμους για την επιλογή των μονοπατιών των αιτήσεων σύνδεσης και να αναθέσουμε μήκη κύματος σε κάθε ένα σύνδεσμο κατά μήκος αυτών των μονοπατιών. Αυτό το πρόβλημα είναι γνωστό ως πρόβλημα δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (Routing and Wavelength Assignment - RWA). Στα διαφανή και ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα, η ποιότητα της μετάδοσης του σήματος (QoT) επηρεάζεται σημαντικά από τις φυσικές εξασθενήσεις. Το RWA πρόβλημα με την παρουσία φυσικών εξασθενήσεων αναφέρεται ως Impairment aware (ΙΑ-) RWA πρόβλημα. Στην παρούσα διδακτορική έρευνα αρχικά ασχοληθήκαμε με την ανάπτυξη και την αξιολόγηση αλγορίθμων δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος σε διαφανή και ημιδιαφανή οπτικά WDM δίκτυα θεωρώντας ότι οι αιτήσεις σύνδεσης είναι γνωστές εκ των προτέρων (φάση σχεδιασμού δικτύων θεωρώντας στατική κίνηση). Εξαιτίας των φυσικών φαινομένων, η επιλογή του κάθε οπτικού μονοπατιού επηρεάζει και επηρεάζεται από τις επιλογές των άλλων οπτικών μονοπατιών. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των οπτικών μονοπατιών στο στατικό πρόβλημα είναι δύσκολο να μοντελοποιηθεί καθώς η χρησιμοποίηση των οπτικών μονοπατιών αποτελούν μεταβλητές του προβλήματος. Αρχικά προτείνουμε RWA αλγορίθμους, χωρίς να λαμβάνουμε υπόψη τις φυσικές εξασθενήσεις, οι οποίοι βασίζονται σε μοντελοποιήσεις γραμμικού προγραμματισμού (Linear Programming - LP) και τείνουν να δίνουν ακέραιες λύσεις. Στην συνέχεια επεκτείνουμε τις μοντελοποιήσεις αυτές και παρουσιάζουμε δύο αλγορίθμους οι οποίοι λαμβάνουν υπόψη τις φυσικές εξασθενήσεις (IA-RWA). Στην πρώτη μοντελοποίηση οι φυσικές εξασθενήσεις λαμβάνονται υπόψη έμμεσα με βάση τις πηγές που προκαλούν τις εξασθενήσεις, ενώ στην δεύτερη μοντελοποίηση οι φυσικές εξασθενήσεις λαμβάνονται υπόψη άμεσα συνδυάζοντας τις παραμέτρους οι οποίες σχετίζονται με την διασπορά του θορύβου. Ο στόχος των IA-RWA αλγορίθμων είναι η ελαχιστοποίηση του αριθμού των μηκών κύματος που χρειάζονται για να εγκατασταθούν όλα τα οπτικά μονοπάτια και ταυτόχρονα η ελαχιστοποίηση της εξασθένησης του σήματος του κάθε οπτικού μονοπατιού. Αναπτύχθηκαν επίσης δύο IA-RWA αλγόριθμοι πολλαπλών κριτηρίων για δυναμική κίνηση (online αλγόριθμοι, που χρησιμοποιούνται κυρίως στην φάση λειτουργίας του δικτύου) για διαφανή δίκτυα. Οι αλγόριθμοι αυτοί λαμβάνουν υπόψη τους συνδυαστικά τις παραμέτρους του φυσικού επιπέδου και του επιπέδου δικτύου, ορίζοντας διανύσματα κόστους για κάθε συνδέσμου και για κάθε μονοπάτι. Ο ένας αλγόριθμος λαμβάνει τις φυσικές εξασθενήσεις έμμεσα, ενώ ο άλλος έμμεσα. Με βάση τους αλγορίθμους πολλαπλών κριτηρίων, προτείναμε διάφορες τεχνικές προστασίας των μονοπατιών για την αντιμετώπιση βλαβών στο δίκτυο λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς εξασθένησης του φυσικού επιπέδου. Ο αλγόριθμος που λαμβάνει άμεσα υπόψη τις φυσικές εξασθενήσεις, επεκτάθηκε ώστε να λαμβάνει υπόψη την ύπαρξη αναγεννητών σε συγκεκριμένους κόμβους του δικτύου καθιστώντας τον ικανό κατ’ αυτόν τον τρόπο να λειτουργεί σε ημιδιαφανή δίκτυα. Μελετήσαμε επιπλέον RWA αλγορίθμους σε WDM δίκτυα τα οποία περιλαμβάνουν κόμβους με περιορισμούς χρώματος (colored) και κατεύθυνσης (direction). Ειδικότερα, επικεντρωθήκαμε σε τέσσερις αρχιτεκτονικές κόμβων που χρησιμοποιούν add/drop ports με τις ακόλουθες ρυθμίσεις i) colored/directed, ii) colored/directionless, iii) colorless/ directed, και iv) colorless/directionless. Αυτές οι αρχιτεκτονικές έχουν διαφορετικό κόστος υλοποίησης, δηλαδή η πιο ευέλικτη αρχιτεκτονική είναι και η πιο ακριβή. Παράλληλα ασχοληθήκαμε με την μελέτη RWA αλγορίθμων σε ευέλικτα οπτικά δίκτυα όπου υπάρχει η επιπλέον δυνατότητα επιλογής του ρυθμού μετάδοσης (και του είδους διαμόρφωσης) που θα χρησιμοποιηθεί στο οπτικό μονοπάτι. Η δυνατότητα αυτή επιτρέπει στα κυκλώματα συνδέσεων, σε μελλοντικά οπτικά δίκτυα κορμού, να μην είναι πλέον στατικά και μονολιθικά, αλλά να μπορούν να αναπροσαρμόζονται δυναμικά στην ζήτηση, τόσο ως προς τον ρυθμό τους όσο και ως προς τον τρόπο διαμόρφωσης. Στα δίκτυα πολλαπλών ρυθμών δεν αρκεί να θεωρήσουμε μία συγκεκριμένη μέγιστη απόσταση μετάδοσης για κάθε τεχνική διαμόρφωσης/ρυθμό μετάδοσης, αλλά θα πρέπει να λάβουμε υπόψη τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των συνδέσεων που μεταδίδονται με διαφορετικό ρυθμό μετάδοσης. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι προσαρμόζουν την απόσταση μετάδοσης των συνδέσεων ανάλογα με την κατάσταση χρησιμοποίησης του δικτύου, έτσι ώστε να αποφευχθούν τα φαινόμενα παρεμβολών πολλαπλών ρυθμών, παρέχοντας τη δυνατότητα να εγκατασταθούν συνδέσεις με αποδεκτή ποιότητα μετάδοσης. Τέλος, μελετήσαμε RWA αλγορίθμους που έχουν ως στόχο την μείωση της κατανάλωσης της ενέργειας σε WDM οπτικά δίκτυα, για την περίπτωση της στατικής κίνησης. Η μείωση της ενέργειας επιτυγχάνεται μέσω της μείωσης του αριθμού των συσκευών του δικτύου που είναι ιδιαίτερα δαπανηρές σε ενέργεια. Αναπτύξαμε ενεργοαποδοτικούς αλγορίθμους για διαφανή και ημιδιαφανή δίκτυα με την χρήση ILP μοντελοποιήσεων. / Ιn a wavelength division multiplexing (WDM) network, each fiber link carries high-rate traffic at several different wavelengths, thus creating multiple channels within a single fiber. The most common architecture utilized for establishing communication in WDM optical networks is wavelength routing, where optical pulse-trains are transmitted through lightpaths, that is, all-optical WDM channels that may span multiple consecutive fibers. Current optical core networks are mainly point-to-point (opaque) networks, where the signal is regenerated at every intermediate node via optical-electronic-optical (OEO) conversion. The trend in recent years shows an evolution toward low-cost and high-capacity all-optical networks that do not utilize OEO. Initially, the cost of an opaque network can be reduced by moving toward a network where OEO conversion is employed only at some nodes, which is usually referred to as a translucent network. The ultimate goal is the development of an all-optical transparent network, where the data signal remains in the optical domain for the entire lightpath. Since the lightpaths are the basic switched entities of a wavelength routed WDM network, their effective establishment and usage are crucial. Thus, it is important to propose efficient algorithms to select the routes for the requested connections and to assign wavelengths on each of the links along these routes. This is known as the routing and wavelength assignment (abbreviated RWA) problem. In a transparent or translucent network, where the signal on a lightpath remains in the optical domain, the quality of transmission (QoT) is significantly affected by physical limitations of fibers and optical components. The RWA problem in the presence of physical layer impairments is referred as Impairment aware (IA-) RWA. We first consider the offline version (network planning phase assuming static traffic) of the RWA problem in transparent and translucent optical networks. In such networks, the signal quality of transmission degrades due to physical layer impairments. Because of certain physical effects, routing choices made for one lightpath affect and are affected by the choices made for the other lightpaths. This interference among the lightpaths is particularly difficult to formulate in an offline algorithm since, in this version of the problem, we start without any established connections and the utilization of lightpaths are the variables of the problem. We initially present algorithms for solving the pure (without impairments) RWA problem based on a Linear Programming (LP)-relaxation formulation that tends to yield integer solutions. Then, we extend these algorithms and present two IA-RWA algorithms for transparent networks that account for the interference among lightpaths in their formulation. The first algorithm takes the physical layer indirectly into account by limiting the impairment-generating sources. The second algorithm uses noise variance-related parameters to directly account for the most important physical impairments. The objective of the resulting cross-layer optimization problem is not only to serve the connections using a small number of wavelengths (network layer objective), but also to select lightpaths that have acceptable quality of transmission (physical layer objective). We propose an algorithm for translucent networks that decomposes the problem into two sub-problems. Initially, we formulate the problem of choosing the sequence of regenerators to be used by the so called “non-transparent connections” as a virtual topology problem and propose various offline IA-RWA algorithms, ranging from integer linear programs (ILP) to simple heuristic algorithms, to solve it. We then transform the initial traffic matrix so as to obtain a traffic matrix that consists only of connections that can be served transparently and apply an IA-RWA algorithm developed for transparent networks. Next, we present two algorithms, for the online version (network operation phase assuming dynamic traffic) of the RWA problem, which are based on the multicost concept and use multiple cost parameters (that is, a cost vector, as opposed to a single scalar cost) for characterizing a link and handle the impairments directly and indirectly, respectively. We show that the use of the multicost approach to solve the online IA-RWA problem can be quite beneficial, both in terms of performance (blocking probability, execution time) and it terms of functionality. Multiple candidate lightpaths are calculated that have, by construction, good QoT performance, making also fault tolerance provisioning easy. We also present an IA-RWA algorithm for translucent WDM networks. We extend an algorithm developed for transparent networks, to obtain a number of IA-RWA algorithms that work in translucent networks and make use of the regenerators that are present at certain network locations when necessary. We also consider RWA in a WDM network consisting of optical cross-connect (OXC) nodes that have color and direction constraints. These restricted node architectures have a smaller cost than the more flexible (and best performing) ones usually assumed in the RWA problem. In particular, we concentrate on four node architectures that use add/drop ports with the following configurations: i) colored/directed, ii) colored/directionless, iii) colorless/ directed, and iv) colorless/directionless. We consider the problem of planning a mixed line rates (MLR) WDM transport optical network. In such networks, different modulation formats are usually employed to support the transmission at different line rates. Previously proposed planning algorithms have used a transmission reach bound for each modulation format/line rate, mainly driven by single line rate systems. However, transmission experiments in MLR networks have shown that physical layer interference phenomena are more severe between among transmissions that utilize different modulation formats. Thus, the transmission reach of a connection with a specific modulation format/line rate depends also on the other connections that co-propagate with it in the network. To plan a MLR WDM network, we present RWA algorithms that adapt the transmission reach of each connection according to the use of the modulation formats/line rates in the network. The proposed algorithms are able to plan the network so as to alleviate cross-rate interference effects, enabling the establishment of connections of acceptable quality over paths that would otherwise be prohibited. Finally, we consider the energy minimization problem in optical networks from an algorithmic perspective. The objective of our proposed algorithms is to plan optical WDM networks so as to minimize the energy consumed, by minimizing the number of the most energy-consuming components. Such components can be amplifiers, regenerators, add/drop terminals, optical fibers, etc. We present algorithms for solving the Energy-Aware Routing and Wavelength Assignment (EA-RWA) problem based on ILP formulations that incorporates energy consuming modules.

No description available.

Optical networking has been developing for decades and wavelength-division multiplexing (WDM) is the main technology used to carry signals in fiber-optical communication systems. However, its development has slowed because it is approaching the Shannon limit of nonlinear fiber transmission. Researchers are looking for multi dimensional multiplexing. Space-division multiplexing (SDM) is an ideal way to scale network capacities. The capacity of WDM/SDM network could be expanded to several times the capacity of WDM network but the active hardware devices may also increase by several times. This project aims to answer a practical question: How to construct a WDM/SDM network with less hardware resource? There is no mature research about WDM/SDM network yet. Therefore, the problem can be divided into two parts: (1) how to build a WDM/SDM network and (2) how to allocate resource and compute routes in such a network to minimize hardware resources. First, this thesis proposes a WDM/SDM node which has bypass connections between different fibers and architecture on demand (AoD) to effectively decrease the number of active hardware devices within the node. Then, two types of networks were constructed: one with bypass connections in each node and another one without any bypass connections. These networks were under the control of a software defined network (SDN) controller. The controller knew the wavelength resources within the networks. Several algorithms were applied to these networks to evaluate the effect of a bypass network and to identify the desired characteristics (to find short length path and decrease the probability of spectrum fragmentation) of an algorithm suitable for a network with bypass connections. The results of applying the proposed algorithms in two networks proved that the bypass connections increased the blocking probability in small topology but did not affect the results in large topology. The results in a large-scale network with bypass network were almost the same as the results in a network without bypass connections. Thus, bypass connections are suitable for large-scale network. / Optiskt nätverk har utvecklats i årtionden och våglängdsdelningsmultiplexering (WDM) är den viktigaste tekniken som används för att bära signaler i fiberoptiska kommunikationssystem. Utvecklingen har dock minskat eftersom den närmar sig Shannon-gränsen för olinjär fiberöverföring. Forskare letar efter flerdimensionell multiplexering. Space-division multiplexing (SDM) är ett idealiskt sätt att skala nätverkskapacitet. Kapaciteten för WDM / SDM-nätverk kan utökas till flera gånger WDM-nätverkets kapacitet, men de aktiva hårdvaraenheterna kan också öka med flera gånger. Projektet syftar till att svara på en praktisk fråga: Hur konstruerar jag ett WDM / SDM-nätverk med mindre hårdvara? Det finns ingen mogen forskning om WDM / SDM-nätverk än. Därför kan problemet delas in i två delar: (1) hur man bygger ett WDM / SDM-nätverk och (2) hur man fördelar resurser och beräknar rutter i ett sådant nätverk för att minimera hårdvaruressurser. Först föreslår denna avhandling en WDM / SDM-nod som har förbikopplingsanslutningar mellan olika fibrer och arkitektur på begäran (AoD) för att effektivt minska antalet aktiva hårdvaraenheter inom noden. Sedan konstruerades två typer av nätverk: en med bypass-anslutningar i varje nod och en annan utan några bypass-anslutningar. Dessa nätverk kontrollerades av en mjukvarudefinierad nätverkskontroller (SDN). Styrenheten visste våglängdsresurserna i nätverket. Flera algoritmer applicerades på dessa nätverk för att utvärdera effekten av ett förbikopplingsnätverk och för att identifiera de önskade egenskaperna (för att hitta en kort längdväg och minska sannolikheten för spektrumfragmentering) av en algoritm som är lämplig för ett nätverk med bypass-anslutningar. Resultaten av att tillämpa de föreslagna algoritmerna i två nät visade att förbikopplingsförbindelserna ökade blockeringssannolikheten i liten topologi men inte påverkade resultaten i stor topologi. Resultaten i ett storskaligt nätverk med bypass-nätverk var nästan samma som resultaten i ett nätverk utan bypass-anslutningar. Bypassanslutningar är således lämpliga för storskaliga nätverk.

Η δρομολόγηση και ανάθεση μηκών κύματος (routing and wavelength assignment - RWA) αποτελεί ένα πολύ σημαντικό πρόβλημα, που απασχολεί τους σχεδιαστές WDM οπτικών δικτύων και είναι γνωστό, πως είναι NP-πλήρες. Στην εργασία αυτή σχεδιάζουμε και υλοποιούμε έναν αλγόριθμο για το στατικό RWA, που βασίζεται σε έναν προτεινόμενο σχηματισμό (μη ακέραιου) γραμμικού προγραμματισμού (linear programming - LP). Ισχυριζόμαστε, πως ο σχηματισμός αυτός είναι σε θέση να παρέχει ακέραιες βέλτιστες λύσεις (παρά την εν γένει μη ακέραια φύση του) για ένα μεγάλο ποσοστό στιγμιότυπων εισόδου, οδηγώντας έτσι σε αντίστοιχες ακριβείς λύσεις του RWA. Η πολυπλοκότητα του αλγόριθμου κυριαρχείται από το χρόνο εκτέλεσης του αλγόριθμου Simplex, ο οποίος θεωρείται αποδοτικός για μια μεγάλη πλειοψηφία στιγμιότυπων εισόδου. Στα διαφανή (πλήρως οπτικά) δίκτυα, η ποιότητα του σήματος υπόκειται σε μια ποικιλία από φυσικές εξασθενήσεις, όπως είναι η διασπορά λειτουργίας πόλωσης (polarization mode dispersion - PMD), ο θόρυβος αυθόρμητης εκπομπής ενισχυτή (amplified spontaneous emission - ASE - noise) και η χρωματική διασπορά (chromatic dispersion - CD). Αυτές οι εξασθενήσεις μοντελοποιούνται γραμμικά και μπορούν να αντιμετωπιστούν αποτελεσματικά από ένα σύνολο αναλυτικών τύπων ως επιπρόσθετοι περιορισμοί στο RWA. Εφαρμόζουμε τον αλγόριθμό μας και εκτελούμε RWA βασισμένο σε περιορισμούς εξασθένησης, με σκοπό να παρατηρήσουμε συγκριτικά αποτελέσματα στην απόδοση ενός τυπικού μητροπολιτικού δικτύου υπό διάφορες παραμέτρους του δικτύου και των εξασθενήσεων, όπως είναι ο ρυθμός bit, ο τύπος και το κέρδος των ενισχυτών, η χρησιμοποιούμενη διάταξη διαμόρφωσης, κλπ. / Routing and wavelength assignment (RWA) is a very important problem concerning WDM optical network designers and is known to be NP-complete. In this work, we design and implement an algorithm for the static RWA, that is based on a proposed (not integer) linear programming formulation. We claim, that this formulation is able to provide integer optimal solutions (despite its non integral nature) for a large fraction of input instances, yielding thus to corresponding exact RWA solutions. The algorithm's complexity is dominated by the execution time of Simplex LP-solver, that is considered efficient in the great majority of all possible input instances. In transparent (all-optical) networks, the signal quality is subject to a variety of physical impairments, such as polarization mode dispersion (PMD), amplified spontaneous emission (ASE) noise and chromatic dispersion (CD). Those impairments are linearly modeled and are handled effectively by a set of analytical formulae as additional constraints on RWA. We apply our algorithm to perform impairment-constraint based RWA, in order to obtain comparative results of a typical metropolitan network's performance under various network and impairment parameters, such as bit rate, amplifier gain and type, modulation format used, etc.

The continuous growth of traffic demand driven by the brisk increase in number of Internet users and emerging online services creates new challenges for communication networks. The latest advances in Wavelength Division Multiplexing (WDM) technology make it possible to build Transparent Optical Networks (TONs) which are expected to be able to satisfy this rapidly growing capacity demand. Moreover, with the ability of TONs to transparently carry the optical signal from source to destination, electronic processing of the tremendous amount of data can be avoided and optical-to-electrical-to-optical (O/E/O) conversion at intermediate nodes can be eliminated. Consequently, transparent WDM networks consume relatively low power, compared to their electronic-based IP network counterpart. Furthermore, TONs bring also additional benefits in terms of bit rate, signal format, and protocol transparency. However, the absence of O/E/O processing at intermediate nodes in TONs has also some drawbacks. Without regeneration, the quality of the optical signal transmitted from a source to a destination might be degraded due to the effect of physical-layer impairments induced by the transmission through optical fibers and network components. For this reason, routing approaches specifically tailored to account for the effect of physical-layer impairments are needed to avoid setting up connections that don’t satisfy required signal quality at the receiver. Transparency also makes TONs highly vulnerable to deliberate physical-layer attacks. Malicious attacking signals can cause a severe impact on the traffic and for this reason proactive mechanisms, e.g., network design strategies, able to limit their effect are required. Finally, even though energy consumption of transparent WDM networks is lower than in the case of networks processing the traffic at the nodes in the electronic domain, they have the potential to consume even less power. This can be accomplished by targeting the inefficiencies of the current provisioning strategies applied in WDM networks. The work in this thesis addresses the three important aspects mentioned above. In particular, this thesis focuses on routing and wavelength assignment (RWA) strategies specifically devised to target: (i) the lightpath transmission quality, (ii) the network security (i.e., in terms of vulnerability to physical-layer attacks), and (iii) the reduction of the network energy consumption. Our contributions are summarized below. A number of Impairment Constraint Based Routing (ICBR) algorithms have been proposed in the literature to consider physical-layer impairments during the connection provisioning phase. Their objective is to prevent the selection of optical connections (referred to as lightpaths) with poor signal quality. These ICBR approaches always assign each connection request the least impaired lightpath and support only a single threshold of transmission quality, used for all connection requests. However, next generation networks are expected to support a variety of services with disparate requirements for transmission quality. To address this issue, in this thesis we propose an ICBR algorithm supporting differentiation of services at the Bit Error Rate (BER) level, referred to as ICBR-Diff. Our approach takes into account the effect of physical-layer impairments during the connection provisioning phase where various BER thresholds are considered for accepting/blocking connection requests, depending on the signal quality requirements of the connection requests. We tested the proposed ICBR-Diff approach in different network scenarios, including also a fiber heterogeneity. It is shown that it can achieve a significant improvement of network performance in terms of connection blocking, compared to previously published non-differentiated RWA and ICBR algorithms.  Another important challenge to be considered in TONs is their vulnerability to physical-layer attacks. Deliberate attacking signals, e.g., high-power jamming, can cause severe service disruption or even service denial, due to their ability to propagate in the network. Detecting and locating the source of such attacks is difficult, since monitoring must be done in the optical domain, and it is also very expensive. Several attack-aware RWA algorithms have been proposed in the literature to proactively reduce the disruption caused by high-power jamming attacks. However, even with attack-aware network planning mechanisms, the uncontrollable propagation of the attack still remains an issue. To address this problem, we propose the use of power equalizers inside the network nodes in order to limit the propagation of high-power jamming attacks. Because of the high cost of such equipment, we develop a series of heuristics (incl. Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP)) aiming at minimizing the number of power equalizers needed to reduce the network attack vulnerability to a desired level by optimizing the location of the equalizers. Our simulation results show that the equalizer placement obtained by the proposed GRASP approach allows for 50% reduction of the sites with the power equalizers while offering the same level of attack propagation limitation as it is possible to achieve with all nodes having this additional equipment installed. In turn, this potentially yields a significant cost saving.    Energy consumption in TONs has been the target of several studies focusing on the energy-aware and survivable network design problem for both dedicated and shared path protection. However, survivability and energy efficiency in a dynamic provisioning scenario has not been addressed. To fill this gap, in this thesis we focus on the power consumption of survivable WDM network with dynamically provisioned 1:1 dedicated path protected connections. We first investigate the potential energy savings that are achievable by setting all unused protection resources into a lower-power, stand-by state (or sleep mode) during normal network operations. It is shown that in this way the network power consumption can be significantly reduced. Thus, to optimize the energy savings, we propose and evaluate a series of energy-efficient strategies, specifically tailored around the sleep mode functionality. The performance evaluation results reveal the existence of a trade-off between energy saving and connection blocking. Nonetheless, they also show that with the right provisioning strategy it is possible to save a considerable amount of energy with a negligible impact on the connection blocking probability. In order to evaluate the performance of our proposed ICBR-Diff and energy-aware RWA algorithms, we develop two custom-made discrete-event simulators. In addition, the Matlab program of GRASP approach for power equalization placement problem is implemented. / <p>QC 20120508</p>

O surgimento de novos serviços de telecomunicações tem provocado um enorme aumento no tráfego de dados nas redes de transmissão. Para atender a essa demanda crescente, novas tecnologias foram desenvolvidas e implementadas ao longo dos anos, sendo que um dos principais avanços está na área de transmissão óptica, devido à grande capacidade de transporte de informação da fibra óptica. A tecnologia que melhor explora a capacidade desse meio de transmissão atualmente é a multiplexação por divisão de comprimento de onda ou Wavelength Division Multiplexing (WDM) que permite a transmissão de diversos sinais utilizando apenas uma fibra óptica. Redes ópticas WDM se tornaram muito complexas, com enorme capacidade de transmissão de informação (terabits por segundo), para atender à explosão de necessidade por largura de banda. Nesse contexto, é de extrema importância que os recursos dessas redes sejam utilizados de forma inteligente e otimizada. Um dos maiores desafios em uma rede óptica é a escolha de uma rota e a seleção de um comprimento de onda disponível na rede para atender uma solicitação de conexão utilizando o menor número de recursos possível. Esse problema é bastante complexo e ficou conhecido como problema de roteamento e alocação de comprimento de onda ou, simplesmente, problema RWA (Routing and Wavelentgh Assignment problem). Muitos estudos foram realizados com o objetivo de encontrar uma solução eficiente para esse problema, mas nem sempre é possível aliar bom desempenho com baixo tempo de execução, requisito fundamental em redes de telecomunicações. A técnica de algoritmo genético (AG) tem sido utilizada para encontrar soluções de problemas de otimização, como é o caso do problema RWA, e tem obtido resultados superiores quando comparada com soluções heurísticas tradicionais encontradas na literatura. Esta dissertação apresenta, resumidamente, os conceitos de redes ópticas e de algoritmos genéticos, e descreve uma formulação do problema RWA adequada à solução por algoritmo genético. / The advent of new telecommunication services resulted in a huge increase of data traffic in the transmission networks. New technologies were developed and implemented over the years to attend to this growing demand, and the optical transmission technology stands. It has advanced greatly, due to the optical fibers large capacity of information transmission. Actually, the best technology to exploits the capacity of the fiber is the wavelength-division multiplexing (WDM), allowing the transmission of multiple signals over a single optical fiber. The WDM optical networks have become very complex, with huge capacity (terabits per second), to attend the ever growing need for bandwidth. In this context, it is extremely important to use the networks resources in an intelligent and optimized way. One of the biggest challenges in an optical network is choosing a route, and selecting a available wavelength on the network to attend a connection request using the least amount of resources. This problem is quite complex, and is known as the routing and wavelength assignment problem or simply RWA problem. Many studies were conducted in order to find an efficient solution to this problem, but it is not always possible to combine good performance with low execution time, a fundamental requirement in telecommunications networks. Genetic Algorithms have been used to solve hard optimization problems, as is the case of the RWA problem, and has produced remarkable results when compared to traditional heuristics found in the literature. This work presents an overview of the concepts of optical networks and genetic algorithms, and describes a formulation of RWA problem that is adequate for solution by genetic algorithm.

O surgimento de novos serviços de telecomunicações tem provocado um enorme aumento no tráfego de dados nas redes de transmissão. Para atender a essa demanda crescente, novas tecnologias foram desenvolvidas e implementadas ao longo dos anos, sendo que um dos principais avanços está na área de transmissão óptica, devido à grande capacidade de transporte de informação da fibra óptica. A tecnologia que melhor explora a capacidade desse meio de transmissão atualmente é a multiplexação por divisão de comprimento de onda ou Wavelength Division Multiplexing (WDM) que permite a transmissão de diversos sinais utilizando apenas uma fibra óptica. Redes ópticas WDM se tornaram muito complexas, com enorme capacidade de transmissão de informação (terabits por segundo), para atender à explosão de necessidade por largura de banda. Nesse contexto, é de extrema importância que os recursos dessas redes sejam utilizados de forma inteligente e otimizada. Um dos maiores desafios em uma rede óptica é a escolha de uma rota e a seleção de um comprimento de onda disponível na rede para atender uma solicitação de conexão utilizando o menor número de recursos possível. Esse problema é bastante complexo e ficou conhecido como problema de roteamento e alocação de comprimento de onda ou, simplesmente, problema RWA (Routing and Wavelentgh Assignment problem). Muitos estudos foram realizados com o objetivo de encontrar uma solução eficiente para esse problema, mas nem sempre é possível aliar bom desempenho com baixo tempo de execução, requisito fundamental em redes de telecomunicações. A técnica de algoritmo genético (AG) tem sido utilizada para encontrar soluções de problemas de otimização, como é o caso do problema RWA, e tem obtido resultados superiores quando comparada com soluções heurísticas tradicionais encontradas na literatura. Esta dissertação apresenta, resumidamente, os conceitos de redes ópticas e de algoritmos genéticos, e descreve uma formulação do problema RWA adequada à solução por algoritmo genético. / The advent of new telecommunication services resulted in a huge increase of data traffic in the transmission networks. New technologies were developed and implemented over the years to attend to this growing demand, and the optical transmission technology stands. It has advanced greatly, due to the optical fibers large capacity of information transmission. Actually, the best technology to exploits the capacity of the fiber is the wavelength-division multiplexing (WDM), allowing the transmission of multiple signals over a single optical fiber. The WDM optical networks have become very complex, with huge capacity (terabits per second), to attend the ever growing need for bandwidth. In this context, it is extremely important to use the networks resources in an intelligent and optimized way. One of the biggest challenges in an optical network is choosing a route, and selecting a available wavelength on the network to attend a connection request using the least amount of resources. This problem is quite complex, and is known as the routing and wavelength assignment problem or simply RWA problem. Many studies were conducted in order to find an efficient solution to this problem, but it is not always possible to combine good performance with low execution time, a fundamental requirement in telecommunications networks. Genetic Algorithms have been used to solve hard optimization problems, as is the case of the RWA problem, and has produced remarkable results when compared to traditional heuristics found in the literature. This work presents an overview of the concepts of optical networks and genetic algorithms, and describes a formulation of RWA problem that is adequate for solution by genetic algorithm.

A datacenter hosts hundreds of thousands of servers and a huge amount of bandwidth is required to accommodate communication between thousands of servers. Several packet switched based datacenter architectures are proposed to cater the high bandwidth requirement using multilayer network topologies, however at the cost of increased network complexity and high power consumption. In recent years, the focus has shifted from packet switching to optical circuit switching to build the data center networks as it can support on demand connectivity and high bit rates with low power consumption. On the other hand, with the advent of Software Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV), the role of datacenters has become more crucial. It has increased the need of dynamicity and flexibility within a datacenter adding more complexity to datacenter networking. With NFV, service chaining can be achieved in a datacenter where virtualized network functions (VNFs) running on commodity servers in a datacenter are instantiated/terminated dynamically. A datacenter also needs to cater large capacity requirement as service chaining involves steering of large aggregated flows. Use of optical circuit switching in data center networks is quite promising to meet such dynamic and high capacity traffic requirements. In this thesis work, a novel and modular optical data center network (DCN) architecture that uses multi-directional wavelength switches (MD-WSS) is introduced. VNF service chaining use case is considered for evaluation of this DCN and the end-to-end service chaining problem is formulated as three inter-connected sub-problems: multiplexing of VNF service chains, VNFs placement in the datacenter and routing and wavelength assignment. This thesis presents integer linear programming (ILP) formulation and heuristics for solving these problems, and numerically evaluate them. / Ett datacenter inrymmer hundratusentals servrar och en stor mängd bandbredd krävs för att skicka data mellan tusentals servrar. Flera datacenter baserade på paketförmedlande arkitekturer föreslås för att tillgodose kravet på hög bandbredd med hjälp av flerskiktsnätverkstopologier, men på bekostnad av ökad komplexitet i nätverken och hög energiförbrukning. Under de senaste åren har fokus skiftat från paketförmedling till optisk kretsomkoppling for att bygga datacenternätverk som kan stödja på-begäran-anslutningar och höga bithastigheter med låg strömförbrukning. Å andra sidan, med tillkomsten av Software Defined Networking (SDN) och nätverksfunktionen Virtualisering (NFV), har betydelsen av datacenter blivit mer avgörande. Det har ökat behovet av dynamik och flexibilitet inom ett datacenter, vilket leder till storre komplexitet i datacenternätverken. Med NFV kan tjänstekedjor åstadkommas i ett datacenter, där virtualiserade nätverksfunktioner (VNFs) som körs på servrar i ett datacenter kan instansieras och avslutas dynamiskt. Ett datacenter måste också tillgodose kravet på stor kapacitet eftersom tjänstekedjan innebär styrning av stora aggregerade flöden. Användningen av optisk kretsomkoppling i datacenternätverk ser ganska lovande ut for att uppfylla sådana trafikkrav dynamik och hög kapacitet. I detta examensarbete, har en ny och modulär optisk datacenternätverksarkitektur (DCN) som använder flerriktningvåglängdsswitchar (MD-WSS) införs. Ett användningsfall av VNF-tjänstekedjor noga övervägd för utvärdering av denna DCN och end-to-end-servicekedjans problem formuleras som tre sammankopplade delproblem: multiplexering av VNF-servicekedjor, VNF placering i datacentret och routing och våglängd uppdrag. Denna avhandling presenterar heltalsprogrammering (ILP) formulering och heuristik för att lösa dessa problem och numeriskt utvärdera dem.

Les réseaux optiques à commutation de rafales (OBS) sont des candidats pour jouer un rôle important dans le cadre des réseaux optiques de nouvelle génération. Dans cette thèse, nous nous intéressons au routage adaptatif et au provisionnement de la qualité de service dans ce type de réseaux. Dans une première partie de la thèse, nous nous intéressons à la capacité du routage multi-chemins et du routage alternatif (par déflection) à améliorer les performances des réseaux OBS, pro-activement pour le premier et ré-activement pour le second. Dans ce contexte, nous proposons une approche basée sur l’apprentissage par renforcement où des agents placés dans tous les nœuds du réseau coopèrent pour apprendre, continuellement, les chemins du routage et les chemins alternatifs optimaux selon l’état actuel du réseau. Les résultats numériques montrent que cette approche améliore les performances des réseaux OBS comparativement aux solutions proposées dans la littérature. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous intéressons au provisionnement absolu de la qualité de service où les performances pire-cas des classes de trafic de priorité élevée sont garanties quantitativement. Plus spécifiquement, notre objectif est de garantir la transmission sans pertes des rafales de priorité élevée à l’intérieur du réseau OBS tout en préservant le multiplexage statistique et l’utilisation efficace des ressources qui caractérisent les réseaux OBS. Aussi, nous considérons l’amélioration des performances du trafic best effort. Ainsi, nous proposons deux approches : une approche basée sur les nœuds et une approche basée sur les chemins. Dans l’approche basée sur les nœuds, un ensemble de longueurs d’onde est assigné à chaque nœud du bord du réseau OBS pour qu’il puisse envoyer son trafic garanti. Cette assignation prend en considération les distances physiques entre les nœuds du bord. En outre, nous proposons un algorithme de sélection des longueurs d’onde pour améliorer les performances des rafales best effort. Dans l’approche basée sur les chemins, le provisionnement absolu de la qualité de service est fourni au niveau des chemins entre les nœuds du bord du réseau OBS. À cette fin, nous proposons une approche de routage et d’assignation des longueurs d’onde qui a pour but la réduction du nombre requis de longueurs d’onde pour établir des chemins sans contentions. Néanmoins, si cet objectif ne peut pas être atteint à cause du nombre limité de longueurs d’onde, nous proposons de synchroniser les chemins en conflit sans le besoin pour des équipements additionnels. Là aussi, nous proposons un algorithme de sélection des longueurs d’onde pour les rafales best effort. Les résultats numériques montrent que l’approche basée sur les nœuds et l’approche basée sur les chemins fournissent le provisionnement absolu de la qualité de service pour le trafic garanti et améliorent les performances du trafic best effort. En outre, quand le nombre de longueurs d’ondes est suffisant, l’approche basée sur les chemins peut accommoder plus de trafic garanti et améliorer les performances du trafic best effort par rapport à l’approche basée sur les nœuds. / Optical Burst Switching (OBS) networks are candidates to play an important role in the context of next generation optical networks. In this thesis, we are interested in adaptive routing and quality of service provisioning for these networks. In the first part of the thesis, we study the capability of multi-path routing and alternative routing (deflection routing) to improve the performance of the OBS network proactively for the former and reactively for the latter. In this context, we propose a reinforcement learning-based approach where learning agents, placed in each OBS node, cooperate to learn, continuously, optimal routing paths and alternative paths according to the current state of the network. Numerical results show that the proposed approach improves the performance of the OBS network compared to existing solutions in the literature. In the second part of the thesis, we consider the problem of absolute quality of service provisioning for OBS networks where worst-case performance of high priority traffic is guaranteed quantitatively. Particularly, we are interested in the loss-free transmission, inside the OBS network, of high priority bursts, while preserving statistical multiplexing gain and high resources utilization of the OBS network. Also, we aim to improve the performance of best effort traffic. Hence, we propose two approaches: (a) the node-based approach; and (b) the path-based approach. In the node-based approach, we propose to assign a set of wavelengths to each OBS edge node that it can use to send its guaranteed traffic. This assignment takes into consideration physical distances between edge nodes. Furthermore, we propose a wavelength selection algorithm to improve the performance of best effort bursts. In the path-based approach, absolute quality of service provisioning is offered at end-to-end path level. To do this, we propose a routing and wavelength assignment approach which aims to reduce the number of wavelengths required to establish contention free paths. Nevertheless, if this objective cannot be reached because of the limited number of wavelengths in each fiber link, we propose an approach to synchronize overlapping paths without the need for additional equipments for synchronization. Here again, we propose a wavelength selection algorithm for best effort bursts. Numerical results show that both the node-based and the path-based approaches successfully provide absolute quality of service provisioning for guaranteed traffic and improve the performance of best effort traffic. Also, path-based approach could accommodate more guaranteed traffic and improve the performance of best effort traffic compared to node-based approach when the number of wavelengths is sufficient.

Η πρόσφατη τεχνολογική ανάπτυξη των οπτικών ενισχυτών, πολυπλεκτών/αποπλεκτών, οπτικών διακοπτών καθώς και άλλων οπτικών συσκευών μας οδηγεί στο να ελπίζουμε ότι σύντομα στο μέλλον θα υλοποιηθεί ένα πλήρες οπτικό (all optical), WDM (wavelength division multiplexing) δίκτυο που να ικανοποιεί και την ανάγκη για μεγάλα μεγέθη χωρητικότητας. Σε ένα τέτοιο δίκτυο η μετατροπή του οπτικού σήματος σε ηλεκτρονικό και εκ νέου στο οπτικό (ΟΕΟ) δεν θα χρησιμοποιείται στους ενδιάμεσους κόμβους, και αυτό συμβάλει σε οικονομικότερες υλοποιήσεις των οπτικών δικτύων. Σε ένα WDM δρομολογούμενο δίκτυο, τα δεδομένα μεταφέρονται μέσω ενός οπτικού καναλιού, lightpath, στους κόμβους του δικτύου που συνδέονται με οπτικές ίνες. Στις πλείστες των περιπτώσεων, κατά την άφιξη ενός lightpath σε κάποιο κόμβο, εφαρμόζεται σε αυτό οπτικό-ηλεκτρονική μετατροπή και αντίστροφα, ούτως ώστε το σήμα να αναδημιουργηθεί λόγω των απωλειών που υπέστη κατά την μεταφορά, ή ακόμη για να αναλυθεί από ενδιάμεσες ηλεκτρονικές συσκευές. Στα μη πλήρη οπτικά δίκτυα, η μεταφορά των δεδομένων γίνεται από κόμβο σε κόμβο κατά μήκος του δικτύου, ούτως ώστε το οπτικό σήμα να ενισχύεται και να αναγεννάτε μέσω της OEO επεξεργασίας. Παρ’ όλα αυτά, η κάθε ενδιάμεση ανάλυση του θέματος σε ένα τέτοιο δίκτυο προϋποθέτει πολύ μεγάλα κόστη λόγω των πολλών συσκευών που απαιτούνται για τη OEO επεξεργασία. Το γεγονός αυτό μας οδηγεί στα ημί-πλήρη δίκτυα όπου η ενίσχυση και αναγέννηση του θέματος δε γίνεται σε όλους τους ενδιάμεσους κόμβους αλλά σε μερικούς από αυτούς. Ο τελικός στόχος όμως είναι η απαλοιφή της ηλεκτρονικής μετατροπής και αυτό οδηγεί στην υλοποίηση των πλήρως οπτικών δικτύων. Στα πλήρη οπτικά δίκτυα, ένα σήμα που μεταδίδεται παραμένει, για όλο το lightpath, στο οπτικό επίπεδο. Έτσι, το πλήρες οπτικό δίκτυο μπορεί να απαλείψει την ασύμφορη OEO μετατροπή. Η αναζήτηση των κατάλληλων μονοπατιών με τα κατάλληλα μήκη κύματος που θα ικανοποιούσε ένα πλήρες οπτικό δίκτυο το οποίο δρομολογείται από ligthpaths, ονομάζεται Routing and Wavelength Assignment (RWA) και αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα για το σωστό σχεδιασμό των οπτικών δικτύων τέτοιου είδους. Το πρόβλημα γίνεται ιδιαίτερα πολύπλοκο όταν στην τελική απόφαση θα πρέπει να συμπεριληφθούν και τα χαρακτηριστικά του φυσικού επιπέδου του δικτύου, όπως εξασθένιση του σήματος, μη γραμμικά φαινόμενα, διασπορά κ.ά, η συμβολή των οποίων στην τελική δρομολόγηση δεν θεωρείται αμελητέα (Impairment Aware Routing and Wavelength Assignment, ΙΑ-RWA). Σε αυτή την εργασία μελετάται το RWA πρόβλημα και προτείνεται ένας μονού στόχου γενετικός αλγόριθμος (Single Objective Genetic Algorithm - SOGA), ο οποίος επιλύει ικανοποιητικά το πρόβλημα θεωρώντας στατική κίνηση. Επιπλέον τονίζεται η σημασία των φυσικών παραμέτρων του προβλήματος και πως αυτές επηρεάζουν την απόδοση του πλήρους οπτικού δικτυου. Στη συνέχεια προτείνεται ένας νέος, πολλαπλών στόχων γενετικός αλγόριθμος (multi objective genetic algorithm – MOGA) ο οποίος βελτιστοποιεί τις λύσεις του προβλήματος ικανοποιητικά λαμβάνοντας ταυτόχρονα υπόψη, με έμμεσο τρόπο, και τις φυσικές παραμέτρους. Επίσης προτείνεται και ένας μονού στόχου γενετικός αλγόριθμος οποίος χρησιμοποιεί ένα εργαλείο αποτίμηση της ποιότητας μετάδοσης (Q-TOOL) σαν μέτρο κατά τη διαδικασία εύρεσης ικανοποιητικής λύσης. Το υπόλοιπο της εργασίας οργανώνεται ως ακολούθως: Στην ενότητα 2 παρουσιάζεται μια σύντομη αναφορά στα WDM δίκτυα καθώς και η περιγραφή του RWA και IA-RWA προβλήματος, ενώ στην ενότητα 3 παρουσιάζεται η πρόταση επίλυσης του RWA προβληματος με τη χρήση γενετικών αλγορίθμων. Ακολουθεί στην ενότητα 4 η πρότασή μας για επίλυση του IA-RWA προβλήματος με τη χρήση Multi-objective διαδικασιών βελτιστοποίησης, καθώς και η βελτιστοποίηση του προβλήματος με τη χρήση του Q-TOOL. Τέλος στην ενότητα 5 συνοψίζουμε την εργασία και παρουσιάζουμε τα συμπεράσματα. / The recent development of optical amplifiers, multiplexers / de-multiplexers, optical switches and other optical devices leads us to hope that soon in future all optical, WDM (wavelength division multiplexing) networks will be implemented which that will satisfy the needs for large capacity. In such networks a viable conversion of the optical -> Electronic and back to optical (OEO) will not be used at intermediate nodes, and this will contribute to efficient and economical implementation. The search for the appropriate paths with the appropriate wavelengths that meet the requirement in all optical networks is called Routing and Wavelength Assignment (RWA) and is one of the most important issues for proper design of such optical networks. The problem becomes particularly complex when the final decision should include the characteristics of the physical layer of the network, such as attenuation of the signal, nonlinear effects, dispersion, etc., whose contribution to the final result is not considered negligible (Impairment Aware Routing and Wavelength Assignment,IA-RWA). This work studies the RWA problem considering static traffic, and proposes a single-objective genetic algorithm (Single Objective Genetic Algorithm - SOGA), which resolves the problem satisfactorily. Furthermore the work stresses the importance of physical parameters of the problem and how these affect the performance of the all optical networks, and proposes a new, multi-objective genetic algorithm (MOGA) which optimizes the solution of IA-RWA problem adequately taking into account indirectly, and the physical impairments that affect the quality of the signal. In addition, a single objective genetic algorithm is proposed that uses a tool to assess the quality of the transmission signal (Q-TOOL), as a benchmark, in the process of optimization of the solution to the IA-RWA problem.