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.

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.