Δρομολόγηση και αποδοτική ανάθεση χωρητικότητας σε ευρυζωνικά οπτικά δίκτυα [thesis]

Κωνσταντίνος Χριστοδουλόπουλος
Optical networks have developed rapidly over the last ten years and are widely used in core networks due to their superior transmission characteristics. Optical networks provide huge available capacity that can be efficiently utilized using wavelength division multiplexing (WDM) and high reliability at the lowest cost per bit ratio when compared to the other wired and wireless networking solutions. Much research has focused on ways to evolve from the typical point-to-point opaque WDM networks
more » ... at are currently employed in the core to optical networks that are dynamically and quickly reconfigurable and can provide on-demand services to users at subwavelength granularity according to users' requirements. The most common architecture utilized for establishing communication in WDM optical networks is wavelength routing that fall in the general category of Optical Circuit Switched (OCS) networks. The switched entities in OCS networks are the lightpaths and the basic optimization problem that is related to the efficient allocation of bandwidth is the routing and wavelength assignment problem (RWA). The current optical technology employed in core networks is point-to-point transmission, where the signal is regenerated at every intermediate node via optical-electronic-optical (OEO) conversion. During the recent few years, the trend clearly shows an evolution towards low-cost and high capacity all-optical transparent networks that do not utilize OEO. In transparent OCS networks the signal of a lightpath remains in the optical domain and its quality deteriorates due to a series of physical layer impairments (PLIs). These PLIs may degrade the received signal quality to the extent that the bit-error rate (BER) at the receiver may be so high that signal detection may be infeasible for some lightpaths. To address this problem we proposed algorithms that take into account the PLIs, usually referred in the literature as Impairment Aware RWA or ΙΑ-RWA algorithms, for both offline (static) and online (dynamic) traffic. In particular we propose an IA-RWA algorithm for static traffic that is based on an LP-relaxation formulation and use various efficient methods to obtain integer solutions. The physical layer impairments are included as additional constraint in the LP formulation of the RWA problem, yielding a cross-layer optimization solution between the network and the physical layers. We then proceed and propose a multi-cost IA-RWA algorithm for dynamic traffic. We define a cost vector per link and associative operators to combine these vectors so as to calculate the cost vector of a path. The parameters of these cost vectors are chosen so as to enable the quick and efficient calculation of the quality of transmission of candidate lightpaths. To serve a connection request, the proposed multi-cost algorithm calculates the set of so called non-dominated paths from the given source to the given destination, and then applies an optimization policy to choose the optimal lightpath. We propose and evaluate various optimization policies that correspond to different online IA-RWA algorithms. We then turn our attention to Optical Burst Switched (OBS) networks, which are regarded as the next step from the OCS paradigm towards a more dynamic core network that can provide on demand subwavelength services to users. In OBS networks, the packets that have the same destination and similar quality of service requirements are aggregated into bursts at the ingress nodes. When a burst is aggregated, a control packet is transmitted and is electronically processed at intermediate nodes so as to configure them for the burst that will pass transparently afterwards. We focus on two key elements of an OBS network, and in particular the burst aggregation (or burstification) process and the signaling protocol, and we propose two solutions for the efficient allocation of bandwidth in OBS networks. We propose and evaluate a novel burst assembly algorithm that is based on the average delay of the packets that comprise a burst. We show that the proposed algorithm decreases the packet delay jitter among the packets, which is important for a number of applications, including real-time, VI video and audio streaming, and TCP applications. Next we propose a two-way reservation signaling protocol that utilizes in-advance and relaxed timed reservation of the bandwidth. In the connection establishment phase of the proposed protocol, bandwidth reservations can exceed the duration of burst transmission (thus, relaxing the timed reservations), so as to increase the acceptance probability for the rest of the path. By controlling the degree of the relaxed timed reservations the protocol can also provide service differentiation to the users. Next we examine the problem of routing and scheduling of connections with flexible starting time in networks that support advance reservations. This problem can arise in slightly different settings in Optical Circuit Switched, Optical Burst Switched, and Optical Packet Switched networks. Such connection requests are served through advanced reservations, a process which is used to provide quality of service to users. We assume that for a connection request we are given the source, the destination, and the size of the data to be transferred with a given rate, and we are asked to provide the path and the time that the transmission should start so as to optimize a certain performance metric. We discretize the time and we use appropriate data structures (in the form of vectors) to map the utilization of the links as a function of time. We use these vectors as cost parameters in a multicost algorithm. We initially present a multicost algorithm of non-polynomial complexity that uses a full domination relation between paths. We then propose two mechanisms to prune the solution space in order to obtain polynomial complexity algorithms. In the first mechanism we define pseudodomination relations that are weaker than the full domination relation. We also propose a branchand-bound extension to the optimum algorithm that can be used for a given specific optimization function. The performance of the multicost algorithm and its variations are evaluated in an OBS network, but this does not limit the applicability of the algorithm and the conclusions can be extended in the other optical networking paradigms. VII Ευχαριστίες Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Δικτύων Επικοινωνιών του Τμήματος Μηχανικών Υπολογιστών και Πληροφορικής του Πανεπιστημίου Πατρών υπό την επίβλεψη του καθηγητή Ε. Βαρβαρίγου. Η αρχή της συνεργασίας μου με τον κ. Βαρβαρίγο έγινε τον Οκτώβρη του 2004, αλλά ουσιαστικά και τυπικά το διδακτορικό μου ξεκίνησε το Σεπτέμβριο του 2005. Η διδακτορική αυτή διατριβή είναι ένα " ταξίδι" που ξεκίνησε από την Αθήνα και το Εργαστήριο Φωτονικών Τεχνολογιών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου και ολοκληρώθηκε στην Πάτρα στο Εργαστήριο Δικτύων Επικοινωνιών μετά από περίπου τέσσερα χρόνια. Θα ήθελα να ξεκινήσω εκφράζοντας τις ευχαριστίες μου στον καθηγητή κ. Βαρβαρίγο για την καθοδήγηση του αυτά τα χρόνια, την υποστήριξη του, και για τις ευκαιρίες που μου έδωσε να ασχοληθώ με πολλά, διαφορετικά, δύσκολα, αλλά και πολύ ενδιαφέροντα προβλήματα. Παρόλο που τα ερευνητικά θέματα που ασχολήθηκα είχαν ένα μεγάλο φάσμα, σε όλα τα πεδία ο κ. Βαρβαρίγος είχε βαθιά γνώση και είχε πάντοτε μια διαφορετική ματιά που μπορούσε να διαφωτίσει και να οδηγήσει την έρευνα μου σε νέους δρόμους. Στη συνέχεια θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επικ. καθηγητή κ. Βλάχο ο οποίος με βοήθησε στα πρώτα βήματα του διδακτορικού μου. Στις πρώτες ερευνητικές μου προσπάθειες οι οποίες έγιναν σε μεγάλο ποσοστό υπό την καθοδήγηση του, μου έδειξε πως να σχεδιάζω πειράματα αλλά και πως να γράφω τεχνικές εργασίες, τα οποία μου φάνηκαν πολύ χρήσιμα σε όλη την διάρκεια του διδακτορικού μου. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον αναπ. καθηγητή κ. Αβραμόπουλο του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου για την φιλοξενία του για περίπου ένα χρόνο στο Εργαστήριο Φωτονικών Τεχνολογιών. Θα ήθελα να ευχαριστήσω όλα τα παιδιά του Εργαστηρίου Φωτονικών Τεχνολογιών του Ε.Μ.Π., και ιδιαίτερα τον Γ. Κανέλλο, ο οποίος με σύστησε στο Εργαστήριο, τον Λ. Σταμπουλίδη, με τον οποίο συμβαδίσαμε ερευνητικά για λίγο χρονικό διάστημα, και τον Ε. Κεχαγιά. Μου έδειξαν πως με σκληρή και επίμονη δουλειά μπορούν να πετύχουν πράγματα που ξεφεύγουν από τα πλαίσια της Ελλάδος και ακτινοβολούν παγκόσμια. Στη συνέχεια θα ήθελα να ευχαριστήσω τους συναδέρφους μου στην Πάτρα με τους οποίους είχα άριστη συνεργασία κατά την διάρκεια του διδακτορικού μου. Θα ξεκινήσω από τα παλιότερα από εμένα μέλη του Εργαστηρίου Δικτύων Επικοινωνιών, Π. Κόκκινο, Β. Σούρλα, Κ. Μανουσάκη, Χ. Παπαγεωργίου, Κ. Σεκλού, Γ. Μπακόλα, και θα συνεχίσω αναφέροντας τα νεότερα μέλη Β. Γκάμα, Μ. Οικονομάκο και Α. Κρέτση. Ειδικότερα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Π. Κόκκινο με τον οποίο μοιραστήκαμε το ίδιο γραφείο. Σημαντική βοήθεια μου έδωσε επίσης ο Δρ. Κ. Γιαννόπουλος με τον οποίο ήρθαμε από την Αθήνα στην Πάτρα περίπου την ίδια περίοδο. Αυτός, με το ήθος, την υπομονή και επιμονή του αποτέλεσε ένα πρότυπο ερευνητή για μένα. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους μου από τα παιδικά, τα σχολικά και τα φοιτητικά μου χρόνια, καθώς και τις νέες παρέες που έκανα στην Πάτρα. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω την Γ. Φιλιππούση για τις ωραίες στιγμές που περάσαμε μαζί στον λίγο χρόνο που δεν ασχολιόμουν με το διδακτορικό, και για την κατανόηση που έδειξε για την άνιση κατανομή αυτού του χρόνου. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου και αν αφιερώσω αυτή την διατριβή στην μητέρα μου Σοφία η οποία στάθηκε πλάι μου όλα αυτά τα χρόνια.
doi:10.12681/eadd/25728 fatcat:cabedadrmvf6va7bibed4vhnha