Η οπτική μεταγωγή ριπών (Optical Burst Switching-OBS) στοχεύει στον συνδυασμό των πλεονεκτημάτων της οπτικής μεταγωγής πακέτων και μεταγωγής κυκλώματος. Θεωρείται ως μια αρκετά υποσχόμενη τεχνολογία για την υλοποίηση του οπτικού Διαδικτύου της επόμενης γενιάς, με σκοπό να αντεπεξέλθει στην ταχεία ανάπτυξη της κίνησης του Διαδικτύου και στην αυξανόμενη υιοθέτηση νέων υπηρεσιών (π.χ VoIP τηλεφωνία, βίντεο κατά απαίτηση, υπολογισμός πλέγματος, ψηφιακά αποθηκευτικά μέσα). Στα OBS δίκτυα, τα πακέτα συναρμολογούνται σε ριπές και στέλνονται έτσι διαμέσου του δικτύου. Επομένως, ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιείται η συναρμολόγηση των πακέτων σε ριπές, καθορίζει και τα χαρακτηριστικά του συνολικού δικτύου και επηρεάζει κυρίως την συνολική καθυστέρηση του κάθε πακέτου που στέλνεται διαμέσου αυτού. Στην παρούσα εργασία (μέρος της διπλωματικής εργασίας δημοσιεύτηκε στο [21]), θα προτείνουμε τέσσερις νέες τεχνικές συναρμολόγησης ριπών που στοχεύουν στην μείωση της μέσης καθυστέρησης που επιβαρύνονται τα πακέτα κατά τη διαδικασία της συναρμολόγηση τους σε ριπές (burstification), με βάση ενός δεδομένου μέσου μήκους των ριπών που παράγονται. Αυτές οι τεχνικές χρησιμοποιούν ένα γραμμικό φίλτρο πρόβλεψης για την παραγωγή μιας εκτίμησης του πλήθους των πακέτων που πρόκειται να εισέλθουν στο κόμβο του δικτύου, που λαμβάνει χώρα το burstification, κατά τη διάρκεια της επόμενης χρονικής περιόδου. Με βάση την εκτίμηση αυτή, αποφασίζουν αν ικανοποιείται ένα συγκεκριμένο κριτήριο, το οποίο είναι διαφορετικό για κάθε προτεινόμενη μέθοδο, και στέλνουν, αναλόγως, μία νέα ριπή στο δίκτυο. Η μείωση της καθυστέρησης της συναρμολόγησης των πακέτων, για ένα δεδομένο μέσο μήκος ριπής, είναι σημαντική για τις εφαρμογές πραγματικού χρόνου, οι οποίες έχουν αυστηρούς περιορισμούς στην συνολική καθυστέρηση των πακέτων. Αντίστοιχα, η αύξηση του μέσου μήκους των ριπών που δημιουργούνται σε ένα OBS δίκτυο, για μια δεδομένη μέση καθυστέρηση πακέτων, είναι σημαντική για την μείωση του αριθμού των ριπών που εισέρχονται σε αυτό. Μεγάλου μήκους ριπές συνεπάγονται μικρότερη επιβάρυνση σε επεξεργασία που διενεργείται από τους ενδιάμεσους κόμβους του δικτύου. Επίσης, στο παρόν κείμενο, θα αξιολογήσουμε την συμπεριφορά των προτεινόμενων τεχνικών συναρμολόγησης και θα αποδείξουμε ότι δύο από αυτές έχουν καλύτερη απόδοση (έως και 33% βελτίωση), σε σύγκριση με τους προηγουμένως προτεινόμενους από την βιβλιογραφία αλγόριθμους, ως προς την μέση καθυστέρηση πακέτων, για δεδομένο μήκος ριπής. Τέλος, θα συζητηθεί η δυνατότητα παροχής ποιότητας υπηρεσιών (Quality of Service- QoS) με την βοήθεια των προτεινόμενων αλγορίθμων συναρμολόγησης. Το υπόλοιπο του παρόντος κειμένου είναι οργανωμένο με βάση τα παρακάτω: • Το δεύτερο κεφάλαιο σχολιάζει βασικές έννοιες των οπτικών δικτύων και περιγράφει την αρχιτεκτονική των οπτικών δικτύων μεταγωγής ριπών. • Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται στις ήδη προτεινόμενες τεχνικές συναρμολόγησης ριπών, από την υπάρχουσα βιβλιογραφία. • Στο τέταρτο κεφάλαιο, σχολιάζονται σημαντικές έννοιες των γραμμικών προβλεπτών, καθώς κι η δυνατότητα τους να εφαρμοστούν στην πρόβλεψη της κίνησης του δικτύου και υπό ποιες συνθήκες η χρήση τους είναι αποδοτική. • Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι περιγράφονται στο πέμπτο κεφάλαιο. • Στο έκτο κεφάλαιο εξετάζεται η απόδοση τους σε σχέση με τους υπάρχοντες αλγορίθμους και μελετάται η συμπεριφορά του επιλεγμένου γραμμικού προβλεπτή σε σχέση με τις παραμέτρους εισόδου που τον χαρακτηρίζουν. • Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο, περιγράφεται η παροχή του QoS στο δίκτυο και ερευνάται η δυνατότητα υποστήριξης της, με τη βοήθεια των προτεινόμενων τεχνικών συναρμολόγησης. / -

[pt] A difusão seletiva e os recentes avanços na tecnologia de transmissão óptica, mais especificamente na multiplexação por comprimento de onda (Wavelength Division Multiplexing- WDM), aliados à consolidação do IP como protocolo dominante das redes convergentes, vêm oferecendo novas perspectivas para as futuras gerações de inter-redes. Este trabalho faz uso da evolução dessas tecnologias para propor um conjunto de adaptações à difusão seletiva, em especial ao IP Multicast, denominado MIRROR (Multicast IP para Redes baseadas em Rajadas Ópticas Rotuladas). A proposta MIRROR sugere modificações e adequações para tornar o IP Multicast menos complexo, mais escalável em relação ao número de grupos ativos simultaneamente e mais adequado às redes baseadas em comutação óptica. Basicamente, MIRROR revê a necessidade de todos os roteadores ao longo da árvore de distribuição multiponto manterem informações de estado relacionadas a esta, bem como sugere adequações na forma como os caminhos multiponto são estabelecidos quando se emprega comutação baseada em rótulos na difusão seletiva. Para avaliar a proposta MIRROR, investiu-se em duas frentes distintas, uma baseada na análise comparativa entre a MIRROR e algumas alternativas ao IP Multicast apresentadas na literatura, e outra baseada no desenvolvimento de um protótipo da proposta no simulador NS (Network Simulator), com o intuito de referendar os resultados da análise comparativa. Na análise comparativa, confronta-se parâmetros como: requisitos de informações de estado, custo com informações de controle, custo de encaminhamento dos pacotes e custo da árvore de multiponto. O desenvolvimento do protótipo envolveu a criação de uma nova estrutura de nó e a alteração de módulos já existentes no NS, para tornar possível a simulação de redes comutadas por rajadas ópticas rotuladas no contexto da difusão seletiva. / [en] Multicast communication and recent advances in optical technology, most specifically in Wavelength Division Multiplexing (WDM), allied with the consolidation of IP as the dominant protocol of convergent networks, offer new perspectives for the next generation Internet. This thesis utilises these technologies to propose a set of adaptations, called MIRROR, to multicast communication, specifically IP Multicast, in labelled burst-switched optical networks. MIRROR proposes modifications to traditional IP Multicast in order to improve its scalability as a function of the number of simultaneously active groups, as well as making it more appropriate for use in optically switched networks. Basically, MIRROR includes new proposals for handling state information about the multicast distribution tree, as well as for the establishment of label-based multicast paths. In order to evaluate this proposal, two approaches are followed, one based on a comparative analysis between MIRROR and a number of other alternatives to IP Multicast proposed in the literature, and the other based on the implementation of a prototype in the simulation environment provided by NS (Network Simulator). The comparative analysis evaluates such parameters as: state requirement information, control overhead, packet processing efficiency and tree cost. The prototype implementation implements a new node structure and alters existing NS modules (OBS e MPLS), to make possible the simulation of labelled burst-switched optical networks in the multicast context.

Innovations in optical communication are expected to transform the landscape of global communications, internet and datacenter networks. This dissertation investigates several important issues in optical communication such as fairness, throughput, blocking probability and differentiated quality of service (QoS). Novel algorithms and new approaches have been presented to improve the performance of optical circuit switching (OCS) and optical burst switching (OBS) for long haul, and datacenter networks. Extensive simulations tests have been conducted to evaluate the effectiveness of the proposed algorithms. These simulation tests were performed over a number of network topologies such as ring, mesh and U.S. Long-Haul, some high processing computing (HPC) topologies such as 2D and 6D mesh torus topologies and modern datacenter topologies such as FatTree and BCube. Two new schemes are proposed for long haul networks to improve throughput and hop count fairness in OBS networks. The idea is motivated by the observation that providing a slightly more priority to longer bursts over short bursts can significantly improve the throughput of the OBS networks without adversely affecting hop-count fairness. The results of extensive performance tests have shown that proposed schemes improve the throughput of optical OBS networks and enhance the hop-count fairness. Another contribution of this dissertation is the research work on developing routing and wavelength assignment schemes in multimode fiber networks. Two additional schemes for long haul networks are presented and evaluated over multimode fiber networks. First for alleviating the fairness problem in OBS networks using wavelength-division multiplexing as well as mode-division multiplexing while the second scheme for achieving higher throughput without sacrificing hop count fairness. We have also shown the significant benefits of using both mode division multiplexing and wavelength division multiplexing in real-life short-distance optical networks such as the optical circuit switching networks used in the hybrid electronic-optical switching architectures for datacenters. We evaluated four mode and wavelength assignment heuristics and compared their throughput performance. We also included preliminary results of impact of the cascaded mode conversion constraint on network throughput. Datacenter and high performance computing networks share a number of common performance goals. Another highly efficient adaptive mode wavelength- routing algorithm is presented over OBS networks to improve throughput of these networks. The effectiveness of the proposed model has been validated by extensive simulation results. In order to optimize bandwidth and maximize throughput of datacenters, an extension of TCP called multipath-TCP (MPTCP) has been evaluated over an OBS network using dense interconnect datacenter topologies. We have proposed a service differentiation scheme using MPTCP over OBS for datacenter traffic. The scheme is evaluated over mixed workload traffic model of datacenters and is shown to provide tangible service differentiation between flows of different priority levels. An adaptive QoS differentiation architecture is proposed for software defined optical datacenter networks using MPTCP over OBS. This scheme prioritizes flows based on current network state.