Enabling Technology in Optical Fiber Communications: From Device, System to Networking

This book explores the enabling technology in optical fiber communications. It focuses on the state-of-the-art advances from fundamental theories, devices, and subsystems to networking applications as well as future perspectives of optical fiber communications. The topics cover include integrated photonics, fiber optics, fiber and free-space optical communications, and optical networking

Stochastische Analyse und lernbasierte Algorithmen zur Ressourcenbereitstellung in optischen Netzwerken

The unprecedented growth in Internet traffic has driven the innovations in provisioning of optical resources as per the need of bandwidth demands such that the resource utilization and spectrum efficiency could be maximized. With the advent of the next generation flexible optical transponders and switches, the flexible-grid-based elastic optical network (EON) is foreseen as an alternative to the widely deployed fixed-grid-based wavelength division multiplexing networks. At the same time, the flexible resource provisioning also raises new challenges for EONs. One such challenge is the spectrum fragmentation. As network traffic varies over time, spectrum gets fragmented due to the setting up and tearing down of non-uniform bandwidth requests over aligned (i.e., continuous) and adjacent (i.e., contiguous) spectrum slices, which leads to a non-optimal spectrum allocation, and generally results in higher blocking probability and lower spectrum utilization in EONs. To address this issue, the allocation and reallocation of optical resources are required to be modeled accurately, and managed efficiently and intelligently. The modeling of routing and spectrum allocation in EONs with the spectrum contiguity and spectrum continuity constraints is well-investigated, but existing models do not consider the fragmentation issue resulted by these constraints and non-uniform bandwidth demands. This thesis addresses this issue and considers both the constraints to computing exact blocking probabilities in EONs with and without spectrum conversion, and with spectrum reallocation (known as defragmentation) for the first time using the Markovian approach. As the exact network models are not scalable with respect to the network size and capacity, this thesis proposes load-independent and load-dependent approximate models to compute approximate blocking probabilities in EONs. Results show that the connection blocking due to fragmentation can be reduced by using a spectrum conversion or a defragmentation approach, but it can not be eliminated in a mesh network topology. This thesis also deals with the important network resource provisioning task in EONs. To this end, it first presents algorithmic solutions to efficiently allocate and reallocate spectrum resources using the fragmentation factor along spectral, time, and spatial dimensions. Furthermore, this thesis highlights the role of machine learning techniques in alleviating issues in static provisioning of optical resources, and presents two use-cases: handling time-varying traffic in optical data center networks, and reducing energy consumption and allocating spectrum proportionately to traffic classes in fiber-wireless networks.Die flexible Nutzung des Spektrums bringt in Elastischen Optischen Netze (EON) neue Herausforderungen mit sich, z.B., die Fragmentierung des Spektrums. Die Fragmentierung entsteht dadurch, dass die Netzwerkverkehrslast sich im Laufe der Zeit ändert und so wird das Spektrum aufgrund des Verbindungsaufbaus und -abbaus fragmentiert. Das für eine Verbindung notwendige Spektrum wird durch aufeinander folgende (kontinuierliche) und benachbarte (zusammenhängende) Spektrumsabschnitte (Slots) gebildet. Dies führt nach den zahlreichen Reservierungen und Freisetzungen des Spektrums zu einer nicht optimalen Zuordnung, die in einer höheren Blockierungs-wahrscheinlichkeit der neuen Verbindungsanfragen und einer geringeren Auslastung von EONs resultiert. Um dieses Problem zu lösen, müssen die Zuweisung und Neuzuordnung des Spektrums in EONs genau modelliert und effizient sowie intelligent verwaltet werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Fragmentierungsproblem und berücksichtigt dabei die beiden Einschränkungen: Kontiguität und Kontinuität. Unter diesen Annahmen wurden analytische Modelle zur Berechnung einer exakten Blockierungswahrscheinlichkeit in EONs mit und ohne Spektrumskonvertierung erarbeitet. Außerdem umfasst diese Arbeit eine Analyse der Blockierungswahrscheinlichkeit im Falle einer Neuzuordnung des Sprektrums (Defragmentierung). Diese Blockierungsanalyse wird zum ersten Mal mit Hilfe der Markov-Modelle durchgeführt. Da die exakten analytischen Modelle hinsichtlich der Netzwerkgröße und -kapazität nicht skalierbar sind, werden in dieser Dissertation verkehrslastunabhängige und verkehrslastabhängige Approximationsmodelle vorgestellt. Diese Modelle bieten eine Näherung der Blockierungswahrscheinlichkeiten in EONs. Die Ergebnisse zeigen, dass die Blockierungswahrscheinlichkeit einer Verbindung aufgrund von einer Fragmentierung des Spektrums durch die Verwendung einer Spektrumkonvertierung oder eines Defragmentierungsverfahrens verringert werden kann. Eine effiziente Bereitstellung der optischen Netzwerkressourcen ist eine wichtige Aufgabe von EONs. Deswegen befasst sich diese Arbeit mit algorithmischen Lösungen, die Spektrumressource mithilfe des Fragmentierungsfaktors von Spektral-, Zeit- und räumlichen Dimension effizient zuweisen und neu zuordnen. Darüber hinaus wird die Rolle des maschinellen Lernens (ML) für eine verbesserte Bereitstellung der optischen Ressourcen untersucht und das ML basierte Verfahren mit der statischen Ressourcenzuweisung verglichen. Dabei werden zwei Anwendungsbeispiele vorgestellt und analysiert: der Umgang mit einer zeitveränderlichen Verkehrslast in optischen Rechenzentrumsnetzen, und eine Verringerung des Energieverbrauchs und die Zuweisung des Spektrums proportional zu Verkehrsklassen in kombinierten Glasfaser-Funknetzwerken

Virtualisation and resource allocation in MECEnabled metro optical networks

The appearance of new network services and the ever-increasing network traffic and number of connected devices will push the evolution of current communication networks towards the Future Internet. In the area of optical networks, wavelength routed optical networks (WRONs) are evolving to elastic optical networks (EONs) in which, thanks to the use of OFDM or Nyquist WDM, it is possible to create super-channels with custom-size bandwidth. The basic element in these networks is the lightpath, i.e., all-optical circuits between two network nodes. The establishment of lightpaths requires the selection of the route that they will follow and the portion of the spectrum to be used in order to carry the requested traffic from the source to the destination node. That problem is known as the routing and spectrum assignment (RSA) problem, and new algorithms must be proposed to address this design problem. Some early studies on elastic optical networks studied gridless scenarios, in which a slice of spectrum of variable size is assigned to a request. However, the most common approach to the spectrum allocation is to divide the spectrum into slots of fixed width and allocate multiple, consecutive spectrum slots to each lightpath, depending on the requested bandwidth. Moreover, EONs also allow the proposal of more flexible routing and spectrum assignment techniques, like the split-spectrum approach in which the request is divided into multiple "sub-lightpaths". In this thesis, four RSA algorithms are proposed combining two different levels of flexibility with the well-known k-shortest paths and first fit heuristics. After comparing the performance of those methods, a novel spectrum assignment technique, Best Gap, is proposed to overcome the inefficiencies emerged when combining the first fit heuristic with highly flexible networks. A simulation study is presented to demonstrate that, thanks to the use of Best Gap, EONs can exploit the network flexibility and reduce the blocking ratio. On the other hand, operators must face profound architectural changes to increase the adaptability and flexibility of networks and ease their management. Thanks to the use of network function virtualisation (NFV), the necessary network functions that must be applied to offer a service can be deployed as virtual appliances hosted by commodity servers, which can be located in data centres, network nodes or even end-user premises. The appearance of new computation and networking paradigms, like multi-access edge computing (MEC), may facilitate the adaptation of communication networks to the new demands. Furthermore, the use of MEC technology will enable the possibility of installing those virtual network functions (VNFs) not only at data centres (DCs) and central offices (COs), traditional hosts of VFNs, but also at the edge nodes of the network. Since data processing is performed closer to the enduser, the latency associated to each service connection request can be reduced. MEC nodes will be usually connected between them and with the DCs and COs by optical networks. In such a scenario, deploying a network service requires completing two phases: the VNF-placement, i.e., deciding the number and location of VNFs, and the VNF-chaining, i.e., connecting the VNFs that the traffic associated to a service must transverse in order to establish the connection. In the chaining process, not only the existence of VNFs with available processing capacity, but the availability of network resources must be taken into account to avoid the rejection of the connection request. Taking into consideration that the backhaul of this scenario will be usually based on WRONs or EONs, it is necessary to design the virtual topology (i.e., the set of lightpaths established in the networks) in order to transport the tra c from one node to another. The process of designing the virtual topology includes deciding the number of connections or lightpaths, allocating them a route and spectral resources, and finally grooming the traffic into the created lightpaths. Lastly, a failure in the equipment of a node in an NFV environment can cause the disruption of the SCs traversing the node. This can cause the loss of huge amounts of data and affect thousands of end-users. In consequence, it is key to provide the network with faultmanagement techniques able to guarantee the resilience of the established connections when a node fails. For the mentioned reasons, it is necessary to design orchestration algorithms which solve the VNF-placement, chaining and network resource allocation problems in 5G networks with optical backhaul. Moreover, some versions of those algorithms must also implements protection techniques to guarantee the resilience system in case of failure. This thesis makes contribution in that line. Firstly, a genetic algorithm is proposed to solve the VNF-placement and VNF-chaining problems in a 5G network with optical backhaul based on star topology: GASM (genetic algorithm for effective service mapping). Then, we propose a modification of that algorithm in order to be applied to dynamic scenarios in which the reconfiguration of the planning is allowed. Furthermore, we enhanced the modified algorithm to include a learning step, with the objective of improving the performance of the algorithm. In this thesis, we also propose an algorithm to solve not only the VNF-placement and VNF-chaining problems but also the design of the virtual topology, considering that a WRON is deployed as the backhaul network connecting MEC nodes and CO. Moreover, a version including individual VNF protection against node failure has been also proposed and the effect of using shared/dedicated and end-to-end SC/individual VNF protection schemes are also analysed. Finally, a new algorithm that solves the VNF-placement and chaining problems and the virtual topology design implementing a new chaining technique is also proposed. Its corresponding versions implementing individual VNF protection are also presented. Furthermore, since the method works with any type of WDM mesh topologies, a technoeconomic study is presented to compare the effect of using different network topologies in both the network performance and cost.Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones e Ingeniería TelemáticaDoctorado en Tecnologías de la Información y las Telecomunicacione

Dynamic routing and spectrum allocation in elastic optical networks

Triggered by emerging services such as high-definition video distribution or social networking, the IP traffic volume has been exponentially increasing to date. Furthermore, the traffic growth rate will not stop here due to the day by day technology advances. For example, new hardware advances such as multicore processing, virtualization and network storage will support new generation e-Science and grid applications, requesting data flows of 10 Gb/s up to terabit level. In response to these large capacity and diverse traffic granularity needs of the future Internet, the Elastic Optical Network (EON) architecture has been proposed. By breaking the fixed-grid spectrum allocation limit of conventional Wavelength Division Multiplexing (WDM) networks, EONs increase the flexibility in the connection provisioning. To do so, depending on the traffic volume, an appropriate-sized optical spectrum is allocated to a connection in EONs. Furthermore, unlike the rigid optical channels of conventional WDM networks, a lightpath can expand or contract elastically to meet different bandwidth demands in EONs. In this way, incoming connection requests can be served in a spectrum-efficient manner. This technological advance poses additional challenges on the networking level, specifically on the efficient connection establishment. The Routing and Spectrum Allocation (RSA) problem in elastic optical networks has grabbed a lot of attention lately, putting more emphasis on dynamic network scenarios. There, connection arrival and departure processes are random and the network has to accommodate incoming traffic in real time. Despite all efforts at studying the dynamic RSA problem from different perspectives, there are still some issues which need to be addressed. This thesis is devoted to the study of three still open issues in the EONs literature, 1) dynamic source aggregation of sub-wavelength connections, 2) correlation between traffic granularity and defragmentation periodicity and 3) using spectrum fragmentation to better allocate time-varying connections. The first issue deals with the possibility of aggregation of same source but different destination sub-wavelength connections in EONs, aiming to obtain both transmitter and spectrum usage savings. A novel algorithm for dynamic source aggregation of connections is proposed. Moreover, a novel node architecture enabling the realization of the proposed source aggregation scheme in a cost-effective way is introduced. A considerable improvement in the network spectrum utilization, as well as a significant reduction in the number of necessary transmitters per node is shown. The spectral fragmentation problem in elastic optical networks is addressed with the second issue. A correlation between the optimal (i.e., minimum) spectrum defragmentation periodicity in the network with the granularity of the supported traffic is investigated. A novel algorithm for efficient spectrum defragmentation is proposed, aiming to consolidate the available fiber spectrum as much as possible, while limiting the number of re-allocated active connections. It is shown that the spectral defragmentation periodicity can be effectively configured by having knowledge of the offered traffic granularity. The last issue is about lightpath adaptation under time variable traffic demands in EONs. Specifically, the possibility of utilizing the spectral fragmentation to increase the spectrum allocation capabilities of EONs is explored. In this context, a heuristic Spectrum Allocation (SA) algorithm, which intentionally increases the spectral fragmentation in the network is proposed and validated. In the proposal, the spectrum assigned to each new connection is in the middle of the largest free spectral void over the route, aiming to provide considerable spectral space between adjacent connections. These free spectral spaces are then used to allocate time-varying connections without requiring any lightpath re-allocation.Degut a l'augment de serveis emergent com la distribució de vídeo d'alta definició les xarxes socials, el volum de tràfic IP ha crescut de manera exponencial durant els darrers temps. S'espera que aquest creixement no s'aturi sinó que continui de manera imparable degut als constants avenços tecnològics. Alguns exemples d’això poden ser els processadors multi-nucli, la virtualització o el "cloud computing" que donaran suport a una nova generació de e-Science i d'aplicacions Grid per les quals caldran flux de dades des de 10 Gb/s fins al Terabit per segon. La conseqüència esperable és que els operadors de xarxes de telecomunicacions requeriran una nova generació de transport òptic en el futur proper, per donar servei a aquests grans i heterogenis volums de trafic d'una manera econòmicament eficient i escalable. Com a resposta a les creixents necessitats de capacitat i de diferents granularitats de tràfic de la Internet del Futur s'ha proposat l'arquitectura coneguda com "Elastic Optical Network" (EON). Trencant el rígid entramat de les xarxes WDM tradicionals, on s'ha de reservar tot un canal òptic per a cada comunicació, mitjançant les EON s'aconsegueix incrementar la flexibilitat en l'aprovisionament de connexions. per fer-ho, depenent del volum de tràfic s'assigna la quantitat adient de l'espectre òptic a cada connexió. I, anant encara un pas més enllà, per desfer la rigidesa dels canals convencionals de les xarxes amb multiplexació per divisió en longitud d'ona (WDM), les connexions òptiques en les EON poden expandir-se o contraure's de manera elàstica segons els requeriments d'ample de banda en cada moment. D'aquesta manera, les peticions de connexió que arriben poden ésser servides de manera eficient pel que fa a l'espectre que utilitzen. Aquest avenç tecnològic implica però alguns reptes a nivell de xarxa, especialment pel que fa a l'establiment eficient de les connexions. De manera similar a com succeeix en les xarxes WDM, una connexió ha d'ocupar la mateixa part de l'espectre en tots els links que la conformen, acomplint el principi de "continuïtat en l'espectre". A més a més, tot l'ample de banda de la connexió ha d'estar assignat de manera adjacent, acomplint el principi de "contigüitat en l'espectre". Per aconseguir aquests objectius, el problema de l'encaminament i assignació de l'espectre (RSA) ha merescut una gran atenció dels investigadors en els darrers anys, amb especial èmfasi a escenaris dinàmics, és a dir, en la fase d’operació de la xarxa. En aquest cas, els processos d'arribada i mort de les connexions són aleatoris i la xarxa ha d'acomodar en temps real el tràfic ofert. Tot i els grans esforços dedicats a aquest tema, queden encara alguns punts a resoldre. Aquesta Tesi està dedicada a alguns d'aquests temes oberts en l'àmbit de les xarxes EON: 1) l’agregació dinàmica de connexions de granularitat inferior a la longitud d'ona, 2) la correlació entre la granularitat del tràfic i les polítiques de desfragmentació de l'espectre, i, 3) utilitzar la fragmentació espectral per a una millor assignació de connexions d'ample de banda canviant en el temps. El primer tòpic analitza la possibilitat d'agregar connexions originades a la mateixa font però amb diferents destinacions dins d'una EON, amb l'objectiu d'estalviar recursos tant pel que fa a nombre d'equips transmissor utilitzats com a l'espectre utilitzat. S'ha proposat un nou algorisme que millora ambdós paràmetres, així com una arquitectura pels nodes de la xarxa que permet utilitzar l'algorisme d’agregació proposat de manera eficient des del punt de vista del cost. S'aconsegueix una considerable millora pel que fa a la utilització de l'espectre a més d'una significativa reducció en el nombre de transmissors per node que es requereixen. El problema de la fragmentació espectral en les EONs s'ataca en la segona aportació d'aquesta Tesi. S'ha aconseguit demostrar la correlació entre l’òptima (és a dir mínima) periodicitat de les accions de desfragmentació i la granularitat del tràfic suportat. S'ha proposat un nou algorisme per a una desfragmentació eficient, l'objectiu del qual és consolidar l'espectre disponible en les fibres tan com sigui possible, al mateix temps que es redueix el nombre de connexions que has de ser reubicades en la xarxa. Es demostra que, en una EON, es pot configurar de manera òptima la periodicitat de les desfragmentacions si es coneix la granularitat de les connexions a transportar. Finalment, en el tercer gran apartat de la Tesi, s'estudia la possibilitat d'utilitzar la fragmentació espectral en les EON per a una millor assignació dels recursos quan el tràfic és variant en el temps. En aquest context, s'ha proposat i validat un algorisme d’assignació de l'espectre (SA) que incrementa de manera intencionada la fragmentació espectral de la xarxa. En aquesta proposta, l'espectre assignat a cada nova connexi_o s'ubica al bell mig del buit espectral més gran que es troba en tota la ruta, amb l'objectiu de deixar tan espai com sigui possible entre les diferents connexions. Aquest espai és després utilitzat per a connexions que requereixen, al llarg de la seva existència, més espectre del que se'ls ha assignat inicialment (incrementen el seu ample de banda). Els resultats obtinguts mitjançant simulacions mostren significants millores en termes de Probabilitat de Bloqueig (BP) en la xarxa quan s'utilitza l'algorisme proposat. Després d'una introducció a la Tesi, el Capítol 2 ofereix una revisió de l’evolució de les xarxes òptiques de transport, tot introduint el concepte de xarxa òptica elàstica (EON). El Capítol 3 se centra en l'estudi dels mètodes d'encaminament i assignació de longitud d'ona en xarxes WDM convencionals, i la seva evolució cap al problema de l’assignació d'espectre (RSA) en EONs. El Capítol 4 detalla els estudis i les contribucions fetes en el tema d’agregació de connexions de granularitat inferior a la longitud d'ona en EONs. L'algorisme proposat, així com l'arquitectura de node que permet aplicar-lo es presenten en aquest Capítol. El problema de la fragmentació espectral en EONs i llurs solucions es revisen a fons en el Capítol 5. La correlació entre la periodicitat de les desfragmentacions espectrals i la granularitat del tràfic ofert s'estudien aquí. El Capítol 6 detalla el problema de servir connexions variants en el temps en EONs. Algunes polítiques proposades fins ara es revisen, i tot seguit se'n proposa una que, en certs aspectes, millora les prèvies. Finalment, cal destacar que aquest treball ha rebut el suport del Govern de la Generalitat de Catalunya, a través d'una beca FI-AGAUR, i que s'ha realitzat en el marc del projecte del Ministerio de Educación Ciencia y Deporte espanyol ELASTIC (TEC2011-27310).Debido al aumento de servicios emergentes como la distribución de video de alta definición o las redes sociales, el volumen de tráfico IP ha crecido de manera exponencial durante los últimos tiempos. Se espera que este crecimiento no se pare sino que continúe de manera imparable debido a los constantes adelantos tecnológicos. Algunos ejemplos de esto pueden ser los procesadores multi-núcleo, la virtualización o el "cloud computing" que darán servicio a una nueva generación de aplicaciones de e-Science y de Grid para las cuáles serán necesarios flujos de datos desde 10 Gb/s hasta Terabits por segundo. La consecuencia esperable es que los operadores de redes de telecomunicaciones requerirán una nueva generación de transporte óptico en el futuro cercano, para dar servicio a estos grandes y heterogéneos volúmenes de tráfico de una manera económicamente eficiente y escalable. Como respuesta a las crecientes necesidades de capacidad y de diferentes granularidades de tráfico de la Internet del Futuro, se ha propuesto la arquitectura conocida como "Elastic Optical Network" (EON). Rompiendo el rígido entramado de las redes con multiplexación por división en longitud de onda (WDM) tradicionales, donde se tiene que reservar todo un canal óptico para cada comunicación, mediante las EON se consigue incrementar la flexibilidad en el aprovisionamiento de conexiones. Para hacerlo, dependiendo del volumen de tráfico se asigna la cantidad adecuada del espectro óptico a cada conexión. Y, yendo todavía un paso más allá, para deshacer la rigidez de los canales convencionales de las redes WDM, las conexiones ópticas en las EON pueden expandirse o contraerse de manera elástica según los requerimientos de ancho de banda en cada momento. De este modo, las peticiones de conexión que llegan pueden ser servidas de manera eficiente en cuanto al espectro que utilizan. Este adelanto tecnológico implica sin embargo algunos retos a nivel de red, especialmente en lo que se refiere al establecimiento eficiente de las conexiones. De manera similar a como sucede en las redes WDM, una conexión debe ocupar la misma parte del espectro en todos los links que la conforman, cumpliendo el principio de "continuidad espectral". Además, todo el ancho de banda de la conexión tiene que estar asignado de manera adyacente, cumpliendo el principio de "contigüidad espectral". Para conseguir estos objetivos, el problema del encaminamiento y asignación del espectro (RSA) ha merecido una gran atención de los investigadores en los últimos años, con especial énfasis en escenarios dinámicos, es decir, en la fase de operación de la red. En este caso, los procesos de llegada y finalización de las conexiones son aleatorios y la red tiene que acomodar en tiempo real el tráfico ofrecido. A pesar de los grandes esfuerzos dedicados a este tema, quedan todavía algunos puntos a resolver. Esta Tesis está dedicada a algunos de estos temas abiertos en el ámbito de las redes EON: 1) la agregación dinámica de conexiones de granularidad inferior a la longitud de onda, 2) la correlación entre la granularidad del tráfico y las políticas de desfragmentación del espectro, y, 3) utilizar la fragmentación espectral para una mejor asignación de conexiones de ancho de banda variante en el tiempo. El primer tópico analiza la posibilidad de agregar conexiones originadas en la misma fuente pero con diferentes destinos dentro de una EON, con el objetivo de ahorrar recursos tanto en cuanto a número de equipos transmisores utilizados como en el espectro utilizado. Se ha propuesto un nuevo algoritmo que mejora ambos parámetros, así como una arquitectura para los nodos de la red que permite utilizar el algoritmo de agregación propuesto de manera eficiente desde el punto de vista del coste. Se consigue una considerable mejora en cuanto a la utilización del espectro además de una significativa reducción en el número de trasmisores por nodo que se requieren. El problema de la fragmentación espectral en las EONs se ataca en la segunda aportación de esta Tesis. Se ha conseguido demostrar la correlación entre la óptima (es decir, mínima) periodicidad de las acciones de desfragmentación y la granularidad del tráfico soportado. Se ha propuesto un nuevo algoritmo para una desfragmentación eficiente, el objetivo del cual es consolidar el espectro disponible en las fibras tanto como sea posible, al mismo tiempo que se reduce el número de conexiones que deben ser reubicadas en la red. Se demuestra que, en una EON, se puede configurar de manera óptima la periodicidad de las desfragmentaciones si se conoce la granularidad de las conexiones a transportar. Finalmente, en el tercer gran apartado de la Tesis, se estudia la posibilidad de utilizar la fragmentación espectral en las EON para una mejor asignación de los recursos cuando el tráfico es variante en el tiempo. En este contexto, se ha propuesto y validado un algoritmo de asignación del espectro (SA) que incrementa de manera intencionada la fragmentación espectral de la red. En esta propuesta, el espectro asignado a cada nueva conexión se ubica en medio del vacío espectral más grande que se encuentra en toda la ruta, con el objetivo de dejar tanto espacio como sea posible entre las diferentes conexiones. Este espacio es después utilizado para conexiones que requieren, a lo largo de su existencia, más espectro del que se les ha asignado inicialmente (incrementan su ancho de banda). Los resultados obtenidos mediante simulaciones muestran significantes mejoras en términos de Probabilidad de Bloqueo (BP) de la red cuando se utiliza el algoritmo propuesto. Después de una introducción a la Tesis, el Capitulo 2 ofrece una revisión de la evolución delas redes ópticas de transporte, introduciendo el concepto de red óptica elástica (EON). El Capítulo 3 se centra en el estudio de los métodos de encaminamiento y asignación de longitud de onda en redes WDM convencionales, y su evolución hacia el problema de la asignación de espectro (RSA) en EONs. El Capítulo 4 detalla los estudios y las contribuciones hechas en el tema de agregación de conexiones de granularidad inferior a la longitud de onda en EONs. El algoritmo propuesto, así como la arquitectura de nodo que permite aplicarlo, se presentan en este Capitulo. El problema de la fragmentación espectral en las EONs y sus soluciones se revisan a fondo en el Capitulo 5. La correlación entre la periodicidad de las desfragmentaciones espectrales y la granularidad del tráfico ofrecido se estudian aquí. El Capitulo 6 detalla el problema de servir conexiones variantes en el tiempo en EONs. Algunas políticas propuestas hasta ahora se han revisado, y a continuación se propone una que, en algunos aspectos, mejora las previamente publicadas. Finalmente, hay que destacar que este trabajo ha recibido el apoyo del Gobierno de la Generalitat de Catalunya, a través de una beca FI-AGAUR, y que se ha realizado en el marco del proyecto ELASTIC (*TEC2011-27310), del Ministerio de Educación Ciencia y Deporte Español

Runtime Adaptation of Scientific Service Workflows

Software landscapes are rather subject to change than being complete after having been built. Changes may be caused by a modified customer behavior, the shift to new hardware resources, or otherwise changed requirements. In such situations, several challenges arise. New architectural models have to be designed and implemented, existing software has to be integrated, and, finally, the new software has to be deployed, monitored, and, where appropriate, optimized during runtime under realistic usage scenarios. All of these situations often demand manual intervention, which causes them to be error-prone. This thesis addresses these types of runtime adaptation. Based on service-oriented architectures, an environment is developed that enables the integration of existing software (i.e., the wrapping of legacy software as web services). A workflow modeling tool that aims at an easy-to-use approach by separating the role of the workflow expert and the role of the domain expert. After the development of workflows, tools that observe the executing infrastructure and perform automatic scale-in and scale-out operations are presented. Infrastructure-as-a-Service providers are used to scale the infrastructure in a transparent and cost-efficient way. The deployment of necessary middleware tools is automatically done. The use of a distributed infrastructure can lead to communication problems. In order to keep workflows robust, these exceptional cases need to treated. But, in this way, the process logic of a workflow gets mixed up and bloated with infrastructural details, which yields an increase in its complexity. In this work, a module is presented that can deal automatically with infrastructural faults and that thereby allows to keep the separation of these two layers. When services or their components are hosted in a distributed environment, some requirements need to be addressed at each service separately. Although techniques as object-oriented programming or the usage of design patterns like the interceptor pattern ease the adaptation of service behavior or structures. Still, these methods require to modify the configuration or the implementation of each individual service. On the other side, aspect-oriented programming allows to weave functionality into existing code even without having its source. Since the functionality needs to be woven into the code, it depends on the specific implementation. In a service-oriented architecture, where the implementation of a service is unknown, this approach clearly has its limitations. The request/response aspects presented in this thesis overcome this obstacle and provide a SOA-compliant and new methods to weave functionality into the communication layer of web services. The main contributions of this thesis are the following: Shifting towards a service-oriented architecture: The generic and extensible Legacy Code Description Language and the corresponding framework allow to wrap existing software, e.g., as web services, which afterwards can be composed into a workflow by SimpleBPEL without overburdening the domain expert with technical details that are indeed handled by a workflow expert. Runtime adaption: Based on the standardized Business Process Execution Language an automatic scheduling approach is presented that monitors all used resources and is able to automatically provision new machines in case a scale-out becomes necessary. If the resource's load drops, e.g., because of less workflow executions, a scale-in is also automatically performed. The scheduling algorithm takes the data transfer between the services into account in order to prevent scheduling allocations that eventually increase the workflow's makespan due to unnecessary or disadvantageous data transfers. Furthermore, a multi-objective scheduling algorithm that is based on a genetic algorithm is able to additionally consider cost, in a way that a user can define her own preferences rising from optimized execution times of a workflow and minimized costs. Possible communication errors are automatically detected and, according to certain constraints, corrected. Adaptation of communication: The presented request/response aspects allow to weave functionality into the communication of web services. By defining a pointcut language that only relies on the exchanged documents, the implementation of services must neither be known nor be available. The weaving process itself is modeled using web services. In this way, the concept of request/response aspects is naturally embedded into a service-oriented architecture