Broadcasting in WDM Optical Rings and Tori

The well-known spanning binomial tree broadcast algorithm is generalized to obtain two families of broadcast algorithms for optical rings and two-dimensional toroidal meshes (tori) using {\em Wavelength Division Multiplexing (WDM)}. These generalizations take advantage of the concurrent transmission through optical links offered by WDM. Their performances are measured under the {\em linear cost model} : the cost of sending a message of $L$ bits is defined as $\alpha +L\tau$, where $\alpha$ is the latency and $\tau$ is the per-byte transmission cost. It is assumed that each node can concurrently transmit one message and receive one message. Our algorithms are based on the familiar spanning binomial tree and on the dimensional exchanges commonly used on hypercubes. We restrict the number of nodes in a ring and in each dimension of a torus to be a power of two. The algorithms described in this paper offer significant performance improvements over the basic spanning tree broadcast

Methods and problems of wavelength-routing in all-optical networks

We give a survey of recent theoretical results obtained for wavelength-routing in all-optical networks. The survey is based on the previous survey in [Beauquier, B., Bermond, J-C., Gargano, L., Hell, P., Perennes, S., Vaccaro, U.: Graph problems arising from wavelength-routing in all-optical networks. In: Proc. of the 2nd Workshop on Optics and Computer Science, part of IPPS'97, 1997]. We focus our survey on the current research directions and on the used methods. We also state several open problems connected with this line of research, and give an overview of several related research directions

Gossiping in chordal rings under the line model

The line model assumes long distance calls between non neighboring processors. In this sense, the line model is strongly related to circuit-switched networks, wormhole routing, optical networks supporting wavelength division multiplexing, ATM switching, and networks supporting connected mode routing protocols. Since the chordal rings are competitors of networks as meshes or tori because of theirs short diameter and bounded degree, it is of interest to ask whether they can support intensive communications (typically all-to-all) as efficiently as these networks. We propose polynomial algorithms to derive optimal or near optimal gossip protocols in the chordal ring

Design and Analysis of Optical Interconnection Networks for Parallel Computation.

In this doctoral research, we propose several novel protocols and topologies for the interconnection of massively parallel processors. These new technologies achieve considerable improvements in system performance and structure simplicity. Currently, synchronous protocols are used in optical TDM buses. The major disadvantage of a synchronous protocol is the waste of packet slots. To offset this inherent drawback of synchronous TDM, a pipelined asynchronous TDM optical bus is proposed. The simulation results show that the performance of the proposed bus is significantly better than that of known pipelined synchronous TDM optical buses. Practically, the computation power of the plain TDM protocol is limited. Various extensions must be added to the system. In this research, a new pipelined optical TDM bus for implementing a linear array parallel computer architecture is proposed. The switches on the receiving segment of the bus can be dynamically controlled, which make the system highly reconfigurable. To build large and scalable systems, we need new network architectures that are suitable for optical interconnections. A new kind of reconfigurable bus called segmented bus is introduced to achieve reduced structure simplicity and increased concurrency. We show that parallel architectures based on segmented buses are versatile by showing that it can simulate parallel communication patterns supported by a wide variety of networks with small slowdown factors. New kinds of interconnection networks, the hypernetworks, have been proposed recently. Compared with point-to-point networks, they allow for increased resource-sharing and communication bandwidth utilization, and they are especially suitable for optical interconnects. One way to derive a hypernetwork is by finding the dual of a point-to-point network. Hypercube Q\sb{n}, where n is the dimension, is a very popular point-to-point network. It is interesting to construct hypernetworks from the dual Q\sbsp{n}{*} of hypercube of Q\sb{n}. In this research, the properties of Q\sbsp{n}{*} are investigated and a set of fundamental data communication algorithms for Q\sbsp{n}{*} are presented. The results indicate that the Q\sbsp{n}{*} hypernetwork is a useful and promising interconnection structure for high-performance parallel and distributed computing systems

Anells cordals:propietats estructurals i models de comunicacions

En els darrers anys hi ha hagut un gran desenvolupament de la recerca en l'àrea de les xarxes informàtiques. En aquest context, la utilització dels grafs com a models per a les xarxes, on els nodes són ordinadors o processadors interconnectats, que s'han de comunicar entre ells de la manera més eficaç possible, ha donat lloc a gran quantitat de treballs. Quan es tracta de xarxes d'interconnexió, en què el nivell d'integració és elevat, es solen considerar models amb bones propietats de simetria, que permeten definir i analitzar els algorismes amb més facilitat. Per exemple, els grafs de Cayley són grafs definits a partir de l'operació d'un grup. Això permet utilitzar l'estructura algèbrica subjacent per a la resolució dels problemes.Aquesta tesi tracta de les propietats d'una família de grafs, els anells cordals de grau 3, que són grafs de Cayley sobre el grup de simetries d'un polígon regular o grup dièdric. Aquest grup no és commutatiu, però els seus elements satisfan bones relacions. A més, està molt relacionat amb el grup cíclic, i això fa que els anells cordals tinguin molt a veure amb els grafs circulants.Una part important del treball és l'estudi de les propietats estructurals dels anells cordals, mentre que en una segona part es donen algorismes de comunicació punt a punt, o encaminaments, amb bones propietats, i d'intercanvi d'informació entre tots els nodes, o gossiping. Aquestes dues parts del treball estan interrelacionades, ja que les propietats estructurals dels grafs s'utilitzen en les definicions i en l'anàlisi dels algorismes que es proposen en la segona part i, a la vegada, l'estudi de problemes de comunicacions ha motivat el plantejament de problemes de caire més teòric, com la classificació per isomorfisme dels anells cordals, la caracterització del seu grup d'automorfismes o el càlcul de l'aresta bisecció. Part de l'interès d'aquest treball és l'ús de les tessel.lacions per a la representació dels grafs. Aquesta eina s'ha revelat molt útil en l'estudi de propietats mètriques i de problemes en què s'han d'establir camins entre els nodes, ja que en facilita la visualització. Les altres famílies de grafs que han estat estudiades per diversos autors mitjançant tessel.lacions del pla són, sobretot, els grafs circulants de grau 4, en què s'utilitzen quadrats per representar els vèrtexs, i de grau 6, en què s'utilitzen hexàgons. Per als anells cordals de grau 3 s'han utilitzat triangles. En particular es veu com la tessel.lació determina totalment el graf, i les propietats del graf es tradueixen en propietats de la tessel.lació. Es poden citar com a problemes oberts la generalització dels resultats a altres famílies de grafs, i l'estudi d'altres problemes de comunicacions. En particular, per al problema del càlcul de l'índex òptic, es tenen alguns resultats en el cas d'anells cordals aresta transitius, que utilitzen la caracterització del grup d'automorfismes i la definició d'encaminaments amb bones propietats presentats en aquesta tesi.Postprint (published version

Anells cordals:propietats estructurals i models de comunicacions

En els darrers anys hi ha hagut un gran desenvolupament de la recerca en l'àrea de les xarxes informàtiques. En aquest context, la utilització dels grafs com a models per a les xarxes, on els nodes són ordinadors o processadors interconnectats, que s'han de comunicar entre ells de la manera més eficaç possible, ha donat lloc a gran quantitat de treballs. Quan es tracta de xarxes d'interconnexió, en què el nivell d'integració és elevat, es solen considerar models amb bones propietats de simetria, que permeten definir i analitzar els algorismes amb més facilitat. Per exemple, els grafs de Cayley són grafs definits a partir de l'operació d'un grup. Això permet utilitzar l'estructura algèbrica subjacent per a la resolució dels problemes.Aquesta tesi tracta de les propietats d'una família de grafs, els anells cordals de grau 3, que són grafs de Cayley sobre el grup de simetries d'un polígon regular o grup dièdric. Aquest grup no és commutatiu, però els seus elements satisfan bones relacions. A més, està molt relacionat amb el grup cíclic, i això fa que els anells cordals tinguin molt a veure amb els grafs circulants.Una part important del treball és l'estudi de les propietats estructurals dels anells cordals, mentre que en una segona part es donen algorismes de comunicació punt a punt, o encaminaments, amb bones propietats, i d'intercanvi d'informació entre tots els nodes, o gossiping. Aquestes dues parts del treball estan interrelacionades, ja que les propietats estructurals dels grafs s'utilitzen en les definicions i en l'anàlisi dels algorismes que es proposen en la segona part i, a la vegada, l'estudi de problemes de comunicacions ha motivat el plantejament de problemes de caire més teòric, com la classificació per isomorfisme dels anells cordals, la caracterització del seu grup d'automorfismes o el càlcul de l'aresta bisecció. Part de l'interès d'aquest treball és l'ús de les tessel.lacions per a la representació dels grafs. Aquesta eina s'ha revelat molt útil en l'estudi de propietats mètriques i de problemes en què s'han d'establir camins entre els nodes, ja que en facilita la visualització. Les altres famílies de grafs que han estat estudiades per diversos autors mitjançant tessel.lacions del pla són, sobretot, els grafs circulants de grau 4, en què s'utilitzen quadrats per representar els vèrtexs, i de grau 6, en què s'utilitzen hexàgons. Per als anells cordals de grau 3 s'han utilitzat triangles. En particular es veu com la tessel.lació determina totalment el graf, i les propietats del graf es tradueixen en propietats de la tessel.lació. Es poden citar com a problemes oberts la generalització dels resultats a altres famílies de grafs, i l'estudi d'altres problemes de comunicacions. En particular, per al problema del càlcul de l'índex òptic, es tenen alguns resultats en el cas d'anells cordals aresta transitius, que utilitzen la caracterització del grup d'automorfismes i la definició d'encaminaments amb bones propietats presentats en aquesta tesi

Efficient Passive Clustering and Gateways selection MANETs

Passive clustering does not employ control packets to collect topological information in ad hoc networks. In our proposal, we avoid making frequent changes in cluster architecture due to repeated election and re-election of cluster heads and gateways. Our primary objective has been to make Passive Clustering more practical by employing optimal number of gateways and reduce the number of rebroadcast packets

New fault-tolerant routing algorithms for k-ary n-cube networks

The interconnection network is one of the most crucial components in a multicomputer as it greatly influences the overall system performance. Networks belonging to the family of k-ary n-cubes (e.g., tori and hypercubes) have been widely adopted in practical machines due to their desirable properties, including a low diameter, symmetry, regularity, and ability to exploit communication locality found in many real-world parallel applications. A routing algorithm specifies how a message selects a path to cross from source to destination, and has great impact on network performance. Routing in fault-free networks has been extensively studied in the past. As the network size scales up the probability of processor and link failure also increases. It is therefore essential to design fault-tolerant routing algorithms that allow messages to reach their destinations even in the presence of faulty components (links and nodes). Although many fault-tolerant routing algorithms have been proposed for common multicomputer networks, e.g. hypercubes and meshes, little research has been devoted to developing fault-tolerant routing for well-known versions of k-ary n-cubes, such as 2 and 3- dimensional tori. Previous work on fault-tolerant routing has focused on designing algorithms with strict conditions imposed on the number of faulty components (nodes and links) or their locations in the network. Most existing fault-tolerant routing algorithms have assumed that a node knows either only the status of its neighbours (such a model is called local-information-based) or the status of all nodes (global-information-based). The main challenge is to devise a simple and efficient way of representing limited global fault information that allows optimal or near-optimal fault-tolerant routing. This thesis proposes two new limited-global-information-based fault-tolerant routing algorithms for k-ary n-cubes, namely the unsafety vectors and probability vectors algorithms. While the first algorithm uses a deterministic approach, which has been widely employed by other existing algorithms, the second algorithm is the first that uses probability-based fault- tolerant routing. These two algorithms have two important advantages over those already existing in the relevant literature. Both algorithms ensure fault-tolerance under relaxed assumptions, regarding the number of faulty components and their locations in the network. Furthermore, the new algorithms are more general in that they can easily be adapted to different topologies, including those that belong to the family of k-ary n-cubes (e.g. tori and hypercubes) and those that do not (e.g., generalised hypercubes and meshes). Since very little work has considered fault-tolerant routing in k-ary n-cubes, this study compares the relative performance merits of the two proposed algorithms, the unsafety and probability vectors, on these networks. The results reveal that for practical number of faulty nodes, both algorithms achieve good performance levels. However, the probability vectors algorithm has the advantage of being simpler to implement. Since previous research has focused mostly on the hypercube, this study adapts the new algorithms to the hypercube in order to conduct a comparative study against the recently proposed safety vectors algorithm. Results from extensive simulation experiments demonstrate that our algorithms exhibit superior performance in terms of reachability (chances of a message reaching its destination), deviation from optimality (average difference between minimum distance and actual routing distance), and looping (chances of a message continuously looping in the network without reaching destination) to the safety vectors