La première partie de cette thèse s'intéresse au groupage de trafic dans les réseaux de télécommunications. La notion de groupage de trafic correspond à l'agrégation de flux de faible débit dans des conduits de plus gros débit. Cependant, à chaque insertion ou extraction de trafic sur une longueur d'onde il faut placer dans le noeud du réseau un multiplexeur à insertion/extraction (ADM). De plus il faut un ADM pour chaque longueur d'onde utilisée dans le noeud, ce qui représente un coût d'équipements important. Les objectifs du groupage de trafic sont d'une part le partage efficace de la bande passante et d'autre part la réduction du coût des équipements de routage. Nous présentons des résultats d'inapproximabilité, des algorithmes d'approximation, un nouveau modèle qui permet au réseau de pouvoir router n'importe quel graphe de requêtes de degré borné, ainsi que des solutions optimales pour deux scénarios avec trafic all-to-all: l'anneau bidirectionnel et l'anneau unidirectionnel avec un facteur de groupage qui change de manière dynamique. La deuxième partie de la thèse s'intéresse aux problèmes consistant à trouver des sous-graphes avec contraintes sur le degré. Cette classe de problèmes est plus générale que le groupage de trafic, qui est un cas particulier. Il s'agit de trouver des sous-graphes d'un graphe donné avec contraintes sur le degré, tout en optimisant un paramètre du graphe (très souvent, le nombre de sommets ou d'arêtes). Nous présentons des algorithmes d'approximation, des résultats d'inapproximabilité, des études sur la complexité paramétrique, des algorithmes exacts pour les graphes planaires, ainsi qu'une méthodologie générale qui permet de résoudre efficacement cette classe de problèmes (et de manière plus générale, la classe de problèmes tels qu'une solution peut être codé avec une partition d'un sous-ensemble des sommets) pour les graphes plongés dans une surface. Finalement, plusieurs annexes présentent des résultats sur des problèmes connexes.

Due to the tremendous growth of traffic volume caused by both exponential increase of number of Internet users and continual emergence of new bandwidth demanding applications, high capacity networks are required in order to satisfactorily handle the extremely large amount of traffic. Hence, optical fiber communication is the key technology for the network infrastructure. This thesis addresses design, analysis and simulation of access and core networks targeting important research problems, which need to be tackled for the effective realization of next generation optical networks. Among different fiber access architectures, passive optical network (PON) is considered as the most promising alternative for the last mile connection due to its relatively low cost and resource efficiency. The inherent bursty nature of the user generated traffic results in dynamically changing bandwidth demand on per subscriber basis. In addition, access networks are required to support differentiated quality of service and accommodate multiple service providers. To address these problems we proposed three novel scheduling algorithms to efficiently realize dynamic bandwidth allocation in PON, along with guaranteeing both the priority and fairness of the differentiated services among multiple users and/or service providers. Meanwhile, because of the increasing significance of reliable access to network services, an efficient fault management mechanism needs to be provided in PON. In addition, access networks are very cost sensitive and the cost of protection should be kept as low as possible. Therefore, we proposed three novel cost-effective protection architectures keeping in mind that reliability requirement in access networks should be satisfied at the minimal cost. Regarding the optical core networks, replacing electronic routers with all-optical switching nodes can offer significant advantages in realizing high capacity networks. Because of the technological limitations for realizing all-optical nodes, the focus is put on the ingenious architecture design. Therefore, we contributed on novel switching node architectures for optical circuit and packet switching networks. Furthermore, we addressed different aspects of routing and wavelength assignment (RWA) problem, which is an important and hard task to be solved in wavelength routed networks. First, we proposed an approach based on the information summary protocol to reduce the large amount of control overhead needed for dissemination of the link state information in the case of adaptive routing. In addition, transparency in optical networks may cause vulnerability to physical layer attacks. To target this critical security related issue, we proposed an RWA solution to minimize the possible reachability of a jamming attack. Finally, in order to evaluate our ideas we developed two tailor-made simulators based on discrete event driven system for the detailed studies of PON and switched optical networks. Moreover, the proposed tabu search heuristic for our RWA solution was implemented in C++. / QC 20100707

Any unexpected disruption to WDM (Wavelength Division Multiplexing) based optical networks which carry data traffic at tera-bit per second may result in a huge loss to its end-users and the carrier itself. Thus survivability has been well-recognized as one of the most important objectives in the design of optical Internet. This thesis proposes a novel survivable routing architecture for the optical Internet. We focus on a number of key issues that are essential to achieve the desired service scenarios, including the tasks of (a) minimizing the total number of wavelengths used for establishing working and protection paths in WDM networks; (b) minimizing the number of affected working paths in case of a link failure; (c) handling large scale WDM mesh networks; and (d) supporting both Quality of Service (QoS) and best-effort based working lightpaths. To implement the above objectives, a novel path based shared protection framework namely Group Shared protection (GSP) is proposed where the traffic matrix can be divided into multiple protection groups (PGs) based on specific grouping policy, and optimization is performed on these PGs. To the best of our knowledge this is the first work done in the area of group based WDM survivable routing approaches where not only the resource sharing is conducted among the PGs to achieve the best possible capacity efficiency, but also an integrated survivable routing framework is provided by incorporating the above objectives. Simulation results show the effectiveness of the proposed schemes.

The objective of this dissertation is to improve the service quality of broadband optical access networks by developing advanced link- and transport- layer protocols. Current access technologies represent a significant bottleneck in bandwidth and service quality between a high-speed residential/enterprise network and a largely overbuilt core network. Although it is believed that passive optical network (PON) will be the most promising solution to provide truly broadband connections to end users, a suit of protocols are required to provide quality of service (QoS). In this dissertation, we design a new reservation MAC scheme that arbitrates upstream transmission, prevents collisions, and varies bandwidth according to demand and priority. The new access scheme exploits both WDM and TDM to cater for both light and heavy bandwidth requirements. Next, we introduce delta compression as an efficient method for fast content download. In the third part of this dissertation, we enhance the transport performance of Ethernet services by addressing the throughput optimization issue at the edge of the network. A novel SLA-aware transport control scheme is proposed to utilize reserved bandwidth more efficiently using a shifted additive increase multiplicative decrease (AIMD) algorithm, and to detect congestion more accurately based on hypothesis test. The performance of the proposed scheme is compared with traditional TCP through theoretical analyses and simulations.

Κατά την διάδοση του σήματος στα οπτικά δίκτυα η ποιότητα του λαμβανόμενου σήματος εξασθενεί λόγω των διαφόρων ειδών απωλειών που υπεισέρχονται κατά τη μετάδοση. Οι κυριότερες εξ’ αυτών είναι: ο θόρυβος λόγω των οπτικών ενισχυτών, η διαφωνία, η χρωματική διασπορά, η διασπορά τρόπων πόλωσης, η μείξη τεσσάρων κυμάτων, η αυτοδιαμόρφωση φάσης κτλ. Προκειμένου να επιτευχθεί αποδεκτή ποιότητα λαμβανόμενου σήματος στον δέκτη είναι απαραίτητη, ιδιαίτερα για μεγάλα μονοπάτια, η χρήση οπτικών 3R αναγεννητών σε κάποιους ενδιάμεσους κόμβους για την περιοδική αναμετάδοση του σήματος. Στην παρούσα διπλωματική εργασία σχεδιάζονται και υλοποιούνται στατικοί αλγόριθμοι δρομολόγησης και ανάθεσης μηκών κύματος για ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα. Συγκεκριμένα, θεωρώντας μια δικτυακή τοπολογία, έναν αριθμό διαθέσιμων μηκών κύματος, μια μήτρα κίνησης και μια (αραιή) τοπολογία 3R αναγεννητών για το εξεταζόμενο δίκτυο (ή εκφράζοντάς το διαφορετικά έναν αριθμό ελεύθερων πομποδεκτών για κάθε κόμβο του δικτύου) επιχειρείται η μεγιστοποίηση του αριθμού των συνδέσεων που μπορούν να επιτευχθούν, διατηρώντας παράλληλα την επιθυμητή ποιότητα μετάδοσης. Έτσι, το πρόβλημα της επιλογής της ακολουθίας των αναγεννητών μέσα από τους οποίους θα δρομολογηθεί η κάθε αδιαφανής αίτηση σύνδεσης, μοντελοποιείται σαν ένα πρόβλημα εικονικής τοπολογίας (virtual topology problem). Στην συνέχεια το πρόβλημα αυτό επιλύεται με τη βοήθεια μιας σειράς αλγορίθμων από πολύπλοκους που βασίζονται σε σχηματισμούς ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού (Integer Linear Programming – ILP) έως απλούστερους αλλά πάντα πρακτικούς ως προς την εύρεση λύσης, ευριστικούς αλγόριθμους. Ύστερα από την επιλογή της ακολουθίας των χρησιμοποιούμενων αναγεννητών για κάθε αδιαφανή αίτηση σύνδεσης, η μήτρα κίνησης μετασχηματίζεται σε μια ισοδύναμη διαφανή, όπου κάθε αδιαφανής αίτηση έχει αντικατασταθεί από μια σειρά διαφανών συνδέσεων που τερματίζουν και ξεκινούν από τους συγκεκριμένους 3R κόμβους αναγέννησης. Ακολούθως, εφαρμόζεται ένας διαφανής IA-RWA αλγόριθμος για τη μετασχηματισμένη μήτρα κίνησης, ενώ τυχόν συνδέσεις που μποκάρονται ύστερα από την εφαρμογή του διαφανή αλγορίθμου επαναδρομολογούνται χρησιμοποιώντας τους υπολοιπόμενους αναγεννητές. Η Ποιότητα Μετάδοσης (Quality of Transmission QoT) των δημιουργουμένων lightpaths υπολογίζεται με τη βοήθεια ενός εκτιμητή της παραμέτρου Q του κάθε lightpath. Για την μοντελοποίηση των φυσικών περιορισμών του δικτύου χρησιμοποιούνται αναλυτικές φόρμουλες. Η απόδοση του προτεινόμενου αλγορίθμου υπολογίστηκε διεξάγοντας εξομοιώσεις για μια παραλλαγή του DTnet δικτύου εισάγοντας τη μοναδιαία μήτρα κίνησης. Η απόδοση του αλγορίθμου κρίνεται ικανοποιητική όχι μόνο για μεσαία, αλλά και για μεγάλης κλίμακας δίκτυα παρέχοντας βέλτιστες λύσεις. Το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου εκτέλεσης του αλγορίθμου, οφείλεται στον υπολογισμό του διαφανούς IA-RWA αλγόριθμου της δεύτερης φάσης. Σχετικά με την απόδοση των εξεταζόμενων αλγορίθμων της πρώτης φάσης, φαίνεται ότι ο αλγόριθμος που παρουσιάζει τα καλύτερα αποτελέσματα είναι αυτός που ελαχιστοποιεί τον μέγιστο αριθμό των χρησιμοποιούμενων αναγεννητών μεταξύ των διαφορετικών κόμβων αναγέννησης του σήματος. / Physical impairments in optical fiber transmission necessitate the use of regeneration at certain intermediate nodes, at least for certain lengthy lightpaths. We design and implement impairment-aware algorithms for routing and wavelength assignment (IA-RWA) in translucent optical networks. We focus on the offline version of the problem, where we are given a network topology, the available wavelengths, a traffic matrix and a (sparse) placement of 3R regenerators in the network (or, in a slightly different setting, the number of available transceivers at each network switch), and we aim at maximizing the number of connections served with adequate quality of transmission. We formulate the problem of choosing the sequence of regenerators to be used by non-transparent connections as a virtual topology design problem, and address it using various algorithms, ranging from an integer linear program (ILP) to simple heuristic algorithms. Once the sequence of regenerators to be used has been determined, we transform the traffic matrix by replacing non-transparent connections with a sequence of transparent connections that terminate and begin at the specified 3R intermediate nodes. Using the transformed matrix we then apply an IA-RWA algorithm designed for transparent (as opposed to translucent) networks to route the traffic. Connections that are blocked are re-routed using any remaining regenerator(s).

Τα σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα οπτικών ινών χρησιμοποιούν την τεχνολογία WDM Wavelength Division Multiplexing) η οποία έχει κάνει εφικτή την αξιοποίηση – ως ένα βαθμό– του τεράστιου εύρους ζώνης της οπτικής ίνας. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας θα παρουσιαστούν οι τρεις βασικές οπτικές αρχιτεκτονικές μεταγωγής (οπτική μεταγωγή κυκλώματος –OCS–, οπτική μεταγωγή πακέτου –OPS–, οπτική μεταγωγή ριπής–OBS–) οι οποίες μετατρέπουν τη διαθέσιμη χωρητικότητα σε ωφέλιμο throughput. Ιδιαίτερη έμφαση θα δοθεί στην αρχιτεκτονική OBS, η οποία έχει τραβήξει το ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, σαν μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική της (ώριμης πλέον) αρχιτεκτονικής OCS. Συγκεκριμένα, θα διερευνηθεί η μετάδοση του TCP πρωτοκόλλου πάνω από OBS δίκτυα μέσα από λεπτομερείς προσομοιώσεις, και θα προταθούν κατάλληλες βελτιώσεις της αρχιτεκτονικής OBS. Ακόμα, θα περιγραφεί μια πρωτότυπη υβριδική αρχιτεκτονική οπτικής μεταγωγής ριπής. / Internet traffic has faced an exploding growth in recent years. The ever-growing demand for multimedia web services, as well as the advent of P2P technology, are driving core networks to their limits. This calls for the design of high capacity core networks, being able to serve the user’s high bandwidth requests. Optical networks have become a key part of the solution, mainly due to the vast capacity of optical fibers. Specifically, the advent of WDM technology has resulted in transmission capacities that have increased manifold in recent years. It is the router/switch throughput, however, that really transforms the raw bit rates into effective bandwidth. In this diploma thesis, we study the three basic optical architectures, that is Optical Circuit Switching (OCS), Optical Packet Switching (OPS) and Optical Burst Switching (OPS). Emphasis is given on OBS architecture, which has drawn research interest in recent year, as a possible replacement for the well-established OCS architecture. Specifically, we will study the transmission of TCP traffic over OBS networks through simulation, and propose modifications for the OBS architecture. Finally, a novel hybrid switch architecture will be proposed, combining the merits of OBS and OCS.

Any unexpected disruption to WDM (Wavelength Division Multiplexing) based optical networks which carry data traffic at tera-bit per second may result in a huge loss to its end-users and the carrier itself. Thus survivability has been well-recognized as one of the most important objectives in the design of optical Internet. This thesis proposes a novel survivable routing architecture for the optical Internet. We focus on a number of key issues that are essential to achieve the desired service scenarios, including the tasks of (a) minimizing the total number of wavelengths used for establishing working and protection paths in WDM networks; (b) minimizing the number of affected working paths in case of a link failure; (c) handling large scale WDM mesh networks; and (d) supporting both Quality of Service (QoS) and best-effort based working lightpaths. To implement the above objectives, a novel path based shared protection framework namely Group Shared protection (GSP) is proposed where the traffic matrix can be divided into multiple protection groups (PGs) based on specific grouping policy, and optimization is performed on these PGs. To the best of our knowledge this is the first work done in the area of group based WDM survivable routing approaches where not only the resource sharing is conducted among the PGs to achieve the best possible capacity efficiency, but also an integrated survivable routing framework is provided by incorporating the above objectives. Simulation results show the effectiveness of the proposed schemes.

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

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.

Οι απαιτήσεις των δικτύων διασύνδεσης, στα υπολογιστικά συστήματα υψηλής απόδοσης, αυξάνονται με αλματώδη ρυθμό τόσο σε χωρητικότητα, όσο και σε ρυθμούς σηματοδοσίας που πρέπει να εξυπηρετηθούν. Αυτή η αύξηση των ρυθμών σηματοδοσίας επιβάλλει την αντικατάσταση των ηλεκτρικών διακοπτών που χρησιμοποιούνται μέχρι τώρα, από τους οπτικούς. Η τεχνολογία των οπτικών ινών παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα για τέτοιες εφαρμογές διότι επιτρέπει τη μετάδοση σε μεγαλύτερες αποστάσεις, παρέχει ευρυζωνικότητα, είναι πιο ανθεκτική στην ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή, και μπορεί να είναι πιο συμφέρουσα ενεργειακά, κάτι που εξαρτάται από το ρυθμό σηματοδοσίας και το μήκος της ζεύξης. Σε αυτή την κατεύθυνση, αυτή η διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στο σχεδιασμό και την επίδειξη οικονομικά συμφέροντων, υψηλής διεκπαιρεωτικής ικανότητας, οπτικών δικτύων διασύνδεσης ικρυωμάτων για τα exascale (10^18 Flops) υπολογιστικά συστήματα υψηλής απόδοσης και τα κέντρα δεδομένων. Ειδικότερα, μελετάται μία πρωτότυπη, οικονομικά βελτιστοποιημένη, αρχιτεκτονική ενός αμιγώς οπτικού δικτύου διασύνδεσης η οποία χρησιμοποιεί οπτικούς ημιαγωγικούς ενισχυτές για να επιτελέσει τη μεταγωγή. Αυτή η προτεινόμενη, οικονομικότερη εκδοχή του υπο μελέτη N×N αμιγώς οπτικού, ραβδεπαφικού διακόπτη, χρησιμοποιεί ένα μειωμένο αριθμό απαιτούμενων πυλών ON/OFF. Στην παρούσα διατριβή η προτεινόμενη αρχιτεκτονική συγκρίνεται με την αρχικά προταθείσα και αποδεικνύεται η εξίσου καλή λειτουργία της με την πρώτη, τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά. Επιπλέον, για την αύξηση της χωρητικότητας και παράλληλα για την καταπολέμηση των φαινομένων μετάδοσης στο δίκτυο διασύνδεσης (ιδιαίτερα της αυτοδιαμόρφωσης και ετεροδιαμόρφωσης της απολαβής (SGM και XGM), της αυτοδιαμόρφωσης και ετεροδιαμόρφωσης της φάσης (SPM και XPM), και της εξάρτησης της απολαβής από την πόλωση (PDG)), μελετώνται, εκτός από την τεχνική διαμόρφωσης πλάτους με άμεσης φώραση (IM/DD), διάφορες προηγμένες τεχνικές διαμόρφωσης όπως η διαφορική διαμόρφωση φάσης (DPSK) με άμεση φώραση, η διαμόρφωση με ορθογώνια πολυπλεξία συχνότητας (OFDM) με άμεση φώραση, καθώς και μελλοντικά υποψήφιες τεχνικές διαμόρφωσης, για τέτοια είδους δίκτυα, όπως η τετραδική διαμόρφωση φάσης με πολυπλεξία της πόλωσης (PDM-QPSK), και η δεκαεξαδική διαμόρφωση φάσης και πλάτους (16QAM) χωρίς (SP) και με (PDM) πολυπλεξία της πόλωσης, με σύμφωνη φώραση. Τέλος, ως δεύτερη ερευνητική δραστηριότητα, μελετώνται ζεύξεις σημείου-προς-σημείο, που βασίζονται στη χρήση πομπών κάθετης κοιλότητας επιφανειακής εκπομπής (VCSELs) και πολύτροπες (MMF) ή μονότροπες (SMF) ίνες, σε συνδυασμό με συμβατικές τεχνικές διαμόρφωσης, όπως η ΙΜ/DD, και προηγμένες, όπως η διαμόρφωση πλάτους τεσσάρων επιπέδων (4-PAM), και η OFDM διαμόρφωση. Η χρήση των παραπάνω τεχνολογιών επιτρέπει την αύξηση της χωρητικότητας και τη μείωση του κόστους στα τρέχοντα συστήματα οπτικής διασύνδεσης. / Data rates are continuing to increase for box-to-box, rack-to-rack, board-to-board, and chip-to-chip interconnects for terabit switches and routers, multiprocessor computers and high-end servers. The increase in individual line rates and bandwidth drives the need to replace copper interconnects with optical interconnects. Fiber optics are advantageous for these applications because they allow for longer link lengths, increased bandwidth, smaller cables and connectors, less susceptibility to electromagnetic interference, and potentially lower power dissipation, depending on the data rate and link length. Towards this direction, this thesis aims to design and demonstrate low-cost, low-latency, high throughput, rack-to-rack optical interconnect architectures for exascale (i.e., performing 10^18 floating point operations per second) high-performance computing (HPC) systems and data centers. In particular, a novel, cost-effective, optical interconnect architecture for ultrafast optical switching, based on semiconductor optical amplifiers (SOAs), is studied. The proposed design of a fast N×N all-optical, wavelength-space crossbar switch for optical interconnects uses a minimum number of ON/OFF gates. This thesis compares and proves the superiority of the proposed architecture with respect to its originally-proposed counterpart, both theoretically and experimentally. Additionally, in order to increase the capacity and to minimize the impact of transmission effects (especially self-gain modulation (SGM), cross-gain modulation (XGM), self-phase modulation (SPM), cross-phase modulation (XPM), and polarization dependent gain (PDG)), we investigate the performance of conventional binary intensity modulation (IM), in conjunction with direct detection, as well as of advanced, more resilient, spectrally-efficient modulation formats (e.g., Differential Phase Shift Keying (DPSK), Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), Polarization Division Multiplexed Quadrature Phase Shift Keying (PDM-QPSK), Single (SP)- and PDM- 16-ary Quadrature Amplitude Modulation (16QAM) in conjunction with coherent detection). Finally, as a seperate research activity, we study the performance of point-to-point links based on vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) and single- or multi- mode fibers, in conjuction with IM/DD, four-level Pulse Amplitude Modulation (4-PAM), and OFDM, to enable state-of-the-art, high-capacity, low-cost optical interconnects.