Wavelength converter sharing in asynchronous optical packet/burst switching: An exact blocking analysis for markovian arrivals

Cataloged from PDF version of article.In this paper, we study the blocking probabilities in a wavelength division multiplexing-based asynchronous bufferless optical packet/burst switch equipped with a bank of tuneable wavelength converters dedicated to each output fiber line. Wavelength converter sharing, also referred to as partial wavelength conversion, corresponds to the case of a number of converters shared amongst a larger number of wavelength channels. In this study, we present a probabilistic framework for exactly calculating the packet blocking probabilities for optical packet/burst switching systems utilizing wavelength converter sharing. In our model, packet arrivals at the optical switch are first assumed to be Poisson and later generalized to the more general Markovian arrival process to cope with very general traffic patterns whereas packet lengths are assumed to be exponentially distributed. As opposed to the existing literature based on approximations and/or simulations, we formulate the problem as one of finding the steady-state solution of a continuous-time Markov chain with a block tridiagonal infinitesimal generator. To find such solutions, we propose a numerically efficient and stable algorithm based on block tridiagonal LU factorizations. We show that exact blocking probabilities can be efficiently calculated even for very large systems and rare blocking probabilities, e.g., systems with 256 wavelengths per fiber and blocking probabilities in the order of 10−40. Relying on the stability and speed of the proposed algorithm, we also provide a means of provisioning wavelength channels and converters in optical packet/burst switching systems

Methodologies synthesis

This deliverable deals with the modelling and analysis of interdependencies between critical infrastructures, focussing attention on two interdependent infrastructures studied in the context of CRUTIAL: the electric power infrastructure and the information infrastructures supporting management, control and maintenance functionality. The main objectives are: 1) investigate the main challenges to be addressed for the analysis and modelling of interdependencies, 2) review the modelling methodologies and tools that can be used to address these challenges and support the evaluation of the impact of interdependencies on the dependability and resilience of the service delivered to the users, and 3) present the preliminary directions investigated so far by the CRUTIAL consortium for describing and modelling interdependencies

Extra Functional Properties Evaluation of Self-managed Software Systems with Formal Methods

Multitud de aplicaciones software actuales están abocadas a operar en contextos dinámicos. Estos pueden manifestarse en términos de cambios en el entorno de ejecución de la aplicación, cambios en los requisitos de la aplicación, cambios en la carga de trabajo recibida por la aplicación, o cambios en cualquiera de los elementos que la aplicación software pueda percibir y verse afectada. Además, estos contextos dinámicos no están restringidos a un dominio particular de aplicaciones sino que se pueden encontrar en múltiples dominios, tales como: sistemas empotrados, arquitecturas orientadas a servicios, clusters para computación de altas prestaciones, dispositivos móviles o software para el funcionamiento de la red. La existencia de estas características disuade a los ingenieros de desarrollar software que no sea capaz de cambiar de modo alguno su ejecución para acomodarla al contexto en el que se está ejecutando el software en cada momento. Por lo tanto, con el objetivo de que el software pueda satisfacer sus requisitos en todo momento, este debe incluir mecanismos para poder cambiar su configuración de ejecución. Además, debido a que los cambios de contexto son frecuentes y afectan a múltiples dispositivos de la aplicación, la intervención humana que cambie manualmente la configuración del software no es una solución factible. Para enfrentarse a estos desafíos, la comunidad de Ingeniería del Software ha propuesto nuevos paradigmas que posibilitan el desarrollo de software que se enfrenta a contextos cambiantes de un modo automático; por ejemplo las propuestas Autonomic Computing y Self-* Software. En tales propuestas es el propio software quien gestiona sus mecanismos para cambiar la configuración de ejecución, sin requerir por lo tanto intervención humana alguna. Un aspecto esencial del software auto-adaptativo (Self-adaptive Software es uno de los términos más generales para referirse a Self-* Software) es el de planear sus cambios o adaptaciones. Los planes de adaptación determinan tanto el modo en el que se adaptará el software como los momentos oportunos para ejecutar tales adaptaciones. Hay un gran conjunto de situaciones para las cuales la propiedad de auto- adaptación es una solución. Una de esas situaciones es la de mantener al sistema satisfaciendo sus requisitos extra funcionales, tales como la calidad de servicio (Quality of Service, QoS) y su consumo de energía. Esta tesis ha investigado esa situación mediante el uso de métodos formales. Una de las contribuciones de esta tesis es la propuesta para asentar en una arquitectura software los sistemas que son auto-adaptativos respecto a su QoS y su consumo de energía. Con este objetivo, esta parte de la investigación la guía una arquitectura de tres capas de referencia para sistemas auto-adaptativos. La bondad del uso de una arquitectura de referencia es que muestra fácilmente los nuevos desafíos en el diseño de este tipo de sistemas. Naturalmente, la planificación de la adaptación es una de las actividades consideradas en la arquitectura. Otra de las contribuciones de la tesis es la propuesta de métodos para la creación de planes de adaptación. Los métodos formales juegan un rol esencial en esta actividad, ya que posibilitan el estudio de las propiedades extra funcionales de los sistemas en diferentes configuraciones. El método formal utilizado para estos análisis es el de las redes de Petri markovianas. Una vez que se ha creado el plan de adaptación, hemos investigado la utilización de los métodos formales para la evaluación de QoS y consumo de energía de los sistemas auto-adaptativos. Por lo tanto, se ha contribuido a la comunidad de análisis de QoS con el análisis de un nuevo y particularmente complejo tipo de sistemas software. Para llevar a cabo este análisis se requiere el modelado de los cambios din·micos del contexto de ejecución, para lo que se han utilizado una variedad de métodos formales, como los Markov modulated Poisson processes para estimar los parámetros de las variaciones en la carga de trabajo recibida por la aplicación, o los hidden Markov models para predecir el estado del entorno de ejecución. Estos modelos han sido usados junto a las redes de Petri para evaluar sistemas auto-adaptativos y obtener resultados sobre su QoS y consumo de energía. El trabajo de investigación anterior sacó a la luz el hecho de que la adaptabilidad de un sistema no es una propiedad tan fácilmente cuantificable como las propiedades de QoS -por ejemplo, el tiempo de respuesta- o el consumo de energÌa. En consecuencia, se ha investigado en esa dirección y, como resultado, otra de las contribuciones de esta tesis es la propuesta de un conjunto de métricas para la cuantificación de la propiedad de adaptabilidad de sistemas basados en servicios. Para conseguir las anteriores contribuciones se realiza un uso intensivo de modelos y transformaciones de modelos; tarea para la que se han seguido las mejores prácticas en el campo de investigación de la Ingeniería orientada a modelos (Model-driven Engineering, MDE). El trabajo de investigación de esta tesis en el campo MDE ha contribuido con: el aumento de la potencia de modelado de un lenguaje de modelado de software propuesto anteriormente y métodos de transformación desde dos lenguajes de modelado de software a redes de Petri estocasticas

A conceptual and computational framework for identifying and predicting the performance of novel airspace concept of operations

Issued as final reportUnited States. National Aeronautics and Space Administratio

Towards semantics-driven modelling and simulation of context-aware manufacturing systems

Systems modelling and simulation are two important facets for thoroughly and effectively analysing manufacturing processes. The ever-growing complexity of the latter, the increasing amount of knowledge, and the use of Semantic Web techniques adhering meaning to data have led researchers to explore and combine together methodologies by exploiting their best features with the purpose of supporting manufacturing system's modelling and simulation applications. In the past two decades, the use of ontologies has proven to be highly effective for context modelling and knowledge management. Nevertheless, they are not meant for any kind of model simulations. The latter, instead, can be achieved by using a well-known workflow-oriented mathematical modelling language such as Petri Net (PN), which brings in modelling and analytical features suitable for creating a digital copy of an industrial system (also known as "digital twin"). The theoretical framework presented in this dissertation aims to exploit W3C standards, such as Semantic Web Rule Language (SWRL) and Web Ontology Language (OWL), to transform each piece of knowledge regarding a manufacturing system into Petri Net modelling primitives. In so doing, it supports the semantics-driven instantiation, analysis and simulation of what we call semantically-enriched PN-based manufacturing system digital twins. The approach proposed by this exploratory research is therefore based on the exploitation of the best features introduced by state-of-the-art developments in W3C standards for Linked Data, such as OWL and SWRL, together with a multipurpose graphical and mathematical modelling tool known as Petri Net. The former is used for gathering, classifying and properly storing industrial data and therefore enhances our PN-based digital copy of an industrial system with advanced reasoning features. This makes both the system modelling and analysis phases more effective and, above all, paves the way towards a completely new field, where semantically-enriched PN-based manufacturing system digital twins represent one of the drivers of the digital transformation already in place in all companies facing the industrial revolution. As a result, it has been possible to outline a list of indications that will help future efforts in the application of complex digital twin support oriented solutions, which in turn is based on semantically-enriched manufacturing information systems. Through the application cases, five key topics have been tackled, namely: (i) semantic enrichment of industrial data using the most recent ontological models in order to enhance its value and enable new uses; (ii) context-awareness, or context-adaptiveness, aiming to enable the system to capture and use information about the context of operations; (iii) reusability, which is a core concept through which we want to emphasize the importance of reusing existing assets in some form within the industrial modelling process, such as industrial process knowledge, process data, system modelling primitives, and the like; (iv) the ultimate goal of semantic Interoperability, which can be accomplished by adding data about the metadata, linking each data element to a controlled, shared vocabulary; finally, (v) the impact on modelling and simulation applications, which shows how we could automate the translation process of industrial knowledge into a digital manufacturing system and empower it with quantitative and qualitative analytical technics