Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/9423
Title: Στατιστική ανάλυση και μοντελοποίηση εργασιών σε δίκτυα πλέγματος και πολύ-επίπεδος σχεδιασμός IP ευέλικτων οπτικών δικτύων
Other Titles: Statistical analysis and modelling of jobs in Grid environments and multi-layer planning of IP over flexible optical networks
Authors: Γκάμας, Βασίλειος
Keywords: Δίκτυα πλέγματος
Στατιστική ανάλυση
Μοντελοποίηση
Πολυ-επίπεδος σχεδιασμός και λειτουργία δικτύων
Ευέλικτα οπτικά δίκτυα
Αποκατάσταση δικτύων
Προστασία δικτύων
Keywords (translated): Grid networks
Statistical analysis
Modelling
Multi-layer network planning and operatiοn
Flexible optical networks
Network restoration
Network protection
Abstract: Η τεχνολογία υπολογιστικού πλέγματος (grid computing) αποτελεί μία τεχνολογία η οποία επιτρέπει τον διαμοιρασμό υπολογιστικών, αποθηκευτικών και άλλου τύπου πόρων οι οποίοι είναι γεωγραφικά κατανεμημένοι σε διαφορετικές τοποθεσίες και διαχειριστικά ανήκουν σε διαφορετικούς οργανισμούς. Σήμερα έχουν δημιουργηθεί τόσο στην Ευρώπη, όσο και στην Αμερική ερευνητικές υποδομές υπολογιστικού πλέγματος γνωστές και με την ονομασία δίκτυα πλέγματος, οι οποίες παρέχουν διάφορες υπηρεσίες πλέγματος, αλλά και υπηρεσίες υπολογιστικού νέφους. Ενδεικτικά να αναφέρουμε την υποδομή EGI η οποία λειτουργεί στην Ευρώπη και την υποδομή Open Science Grid, η οποία λειτουργεί στις Η.Π.Α. Καθώς, τα IP/οπτικά δίκτυα αποτελούν εκείνη την τεχνολογία η οποία κατά κύριο λόγο χρησιμοποιείται για την διασύνδεση των πόρων ενός δικτύου πλέγματος σε μία ενιαία αλλά κατανεμημένη υπολογιστική υποδομή και την παροχή τηλεπικοινωνιακών πόρων υψηλής χωρητικότητας, η αποδοτική λειτουργία και ο σχεδιασμός τους κρίνεται μείζονος σημασίας για την αποδοτική λειτουργία όχι μόνο των δικτύων πλέγματος, αλλά και των σύγχρονων τηλεπικοινωνιακών δικτύων κορμού που υλοποιούν σήμερα οι πάροχοι υπηρεσιών διαδικτύου. Σε αυτό το πλαίσιο, δύο είναι οι περιοχές με τις οποίες ενασχολείται η παρούσα διδακτορική διατριβή, τα δίκτυα πλέγματος και τα πολύ-επίπεδα IP/οπτικά δίκτυα. Αρχικά επικεντρωνόμαστε στα δίκτυα πλέγματος και πραγματοποιούμε μία στατιστική ανάλυση και μοντελοποίηση των εργασιών που υποβάλλονται στο δίκτυο πλέγματος EGEE, το οποίο πλέον λειτουργεί με την ονομασία EGI, κάτω από την εποπτεία του οργανισμού EGI.eu. Σκοπός μας είναι να μελετήσουμε τα χρονικά διαστήματα που μία εργασία παραμένει στις διάφορες καταστάσεις του κύκλου ζωής της από την στιγμή που υποβάλλετε σε ένα δίκτυο πλέγματος, μέχρι και την ολοκλήρωση της εκτέλεσής της, και να προτείνουμε μοντέλα για την μοντελοποίηση της διαδικασίας άφιξης εργασιών και των καθυστερήσεων που εμφανίζονται στα διάφορα στάδια της επεξεργασίας των εργασιών, παράμετροι οι οποίοι θεωρούμε ότι είναι κρίσιμοι για την πλήρη κατανόηση της τεχνολογίας πλέγματος και την αξιολόγηση των αλγορίθμων χρονοδρομολόγησης που χρησιμοποιούνται τόσο σε επίπεδο δικτύου πλέγματος όσο και σε επίπεδο κόμβου πλέγματος. Στην συνέχεια στρέφουμε την προσοχή μας στα IP ευέλικτα οπτικά δίκτυα και μελετάμε το πρόβλημα της πολύ-επίπεδης λειτουργίας τους. Τα ευέλικτα οπτικά δίκτυα αποτελούν εκείνη την τεχνολογία η οποία επιλύει διάφορα προβλήματα αναποτελεσματικότητας των παραδοσιακών οπτικών δικτύων πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος, καθιστώντας το δίκτυο ποιο δυναμικό και προσαρμόσιμο στις εκάστοτε ανάγκες του δικτύου, μία απαίτηση η οποία γίνεται ολοένα και ποιο έντονη από τους παρόχους υπηρεσιών διαδικτύου. Για την επίλυση του προβλήματος της πολύ-επίπεδης λειτουργίας IP ευέλικτων οπτικών δικτύων, προτείνουμε έναν αλγόριθμο πολλαπλών παραμέτρων εξυπηρέτησης αίτησης, ο οποίος εξυπηρετεί μία προς μία τις αιτήσεις που δυναμικά καταφθάνουν στο δίκτυο, βελτιστοποιώντας παράλληλα το IP και το οπτικό επίπεδο. Από την αξιολόγηση του προτεινόμενου αλγορίθμου αναδεικνύουμε τα συγκριτικά οφέλη των ευέλικτων οπτικών δικτύων, έναντι των οπτικών δικτύων πολλαπλών ρυθμών μετάδοσης. Επιπλέον παρατηρούμε ότι υφίσταται ένα tradeoff μεταξύ της πιθανότητας απόρριψης μίας αίτησης, και της ενεργειακής κατανάλωσης του δικτύου. Ακολούθως, μελετάμε το πρόβλημα του πολύ-επίπεδου σχεδιασμού IP ευέλικτων οπτικών δικτύων. Για τον πολύ-επίπεδο σχεδιασμό ενός IP ευέλικτου οπτικού δικτύου, προσαρμόσαμε κατάλληλα τον αλγόριθμο πολλαπλών παραμέτρων εξυπηρέτησης αίτησης που χρησιμοποιήσαμε για την εξυπηρέτηση των αιτήσεων ενός πολύ-επίπεδου δικτύου κατά την φάση της λειτουργίας του, ώστε να εξυπηρετεί μία προς μία τις αιτήσεις ενός πίνακα κίνησης με μία συγκεκριμένη σειρά, βελτιστοποιώντας παράλληλα το IP και το οπτικό επίπεδο. Αξιολογήσαμε την απόδοση του προτεινόμενου αλγορίθμου σχεδιασμού IP ευέλικτων οπτικών δικτύων και αναδείξαμε τα συγκριτικά του οφέλη, έναντι ενός αλγορίθμου ο οποίος σχεδιάζει ξεχωριστά το δίκτυο στο IP και στο οπτικό επίπεδο. Επιπλέον, αναδείξαμε τα συγκριτικά οφέλη των ευέλικτων οπτικών δικτύων, έναντι των οπτικών δικτύων πολλαπλών ρυθμών μετάδοσης, αναφορικά με το κόστος τους. Τέλος, μελετάμε το πρόβλημα της πολύ-επίπεδης προστασίας και αποκατάστασης από αστοχίες IP ευέλικτων οπτικών δικτύων. Καθώς οι αστοχίες οπτικών συνδέσμων είναι αστοχίες οι οποίες συνήθως εμφανίζονται σε ένα οπτικό δίκτυο, επικεντρωνόμαστε σε αυτού του τύπου τις αστοχίες. Συγκεκριμένα, προτείνουμε έναν αλγόριθμο ο οποίος αναλύει κάθε μία πιθανή αστοχία οπτικού συνδέσμου για τον καθορισμό της επηρεαζόμενης κίνησης και υπολογίζει νέες διαδρομές στο οπτικό και στο IP δίκτυο (εγκαθιστώντας παράλληλα επιπρόσθετο εξοπλισμό στο δίκτυο όταν απαιτείται) οι οποίες θα χρησιμοποιηθούν σε περίπτωση εκδήλωσης της αστοχίας για την εξυπηρέτηση της επηρεαζόμενης κίνησης. Στόχος είναι το δίκτυο να είναι βιώσιμο σε περίπτωση εκδήλωσης μίας οποιασδήποτε αστοχίας οπτικού συνδέσμου, υποθέτοντας ότι κάθε φορά μία μόνο αστοχία οπτικού συνδέσμου εκδηλώνεται. Από τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν προέκυψε ότι ο προτεινόμενος αλγόριθμος, υπερισχύει έναντι άλλων λύσεων που παρέχουν προστασία-αποκατάσταση από αστοχίες μόνο στο IP επίπεδο ή μόνο στο οπτικό επίπεδο, αναφορικά με το κόστος προστασίας-αποκατάστασης του δικτύου.
Abstract (translated): Grid computing is a technology which permits the sharing of computational, storage and other type of resources which are geographically distributed in various locations and administratively operated and owned by different organizations. Today, many research grid computing infrastructures have been developed in Europe and America, also known as grid networks, which provide various grid services and some of them cloud computing services as well. Such indicative grid networks are the EGI which operates in Europe and Open Science Grid which operates in America. As IP over optical networks are this type of networks which are usually used today for the interconnection of the resources of grid networks in one integrated but distributed infrastructure and the provision of high capacity network resources, their efficient operation and design is of critical importance not only for the efficient operation of grid networks, but also for the efficient and cost-effective operation of modern optical transport networks operated today by the ISPs. In this context, grid networks and IP over optical networks, are the two technologies this PhD thesis deals with. At first, we focus on grid networks and we perform a statistical analysis and modelling of jobs submitted in the grid infrastructure of EGEE, now named EGI and operated by the organization EGI.eu. Our scope is to study the periods which a job spends in its various states in the grid network, from its submission to the grid network till the completion of its execution, and to propose models for modelling the jobs inter-arrival times and the delays observed during the life cycle of a job, as these parameters are important in order to better understand the grid technology and evaluate the scheduling algorithms used in grid network level and cluster level. Then, we turn our attention in IP over flexible optical networks and we study the problem of their multi-layer operation. The flexible optical networks is this technology which solves many inefficiency problems of the traditional fixed-grid optical networks whose operation is based on the wavelength division multiplexing technology. The flexible optical networks make the network more dynamic and adaptive to the real needs of the users (IP layer), one requirement which is more imperative than ever by the ISPs. For solving the multi-layer operation problem of IP over flexible optical networks, we propose a multi-cost routing algorithm which serves one-by-one the demands dynamically coming in the network, by jointly optimizing over the IP and optical layer. By evaluating the performance of the proposed algorithm under different network cases, we highlight the benefits of a flexible optical network as opposed to a mixed line rate optical network in terms of blocking probability and energy consumption and we find a trade-off between the blocking probability of the network and its energy efficiency. We also consider the multi-layer planning problem of IP over flexible optical networks and we propose an algorithm to solve it. More specific, we adapt the multi-cost routing algorithm we used to serve the demands of an IP over flexible optical network during its operation, in order to serve one-by-one in a specific order all the demands of a traffic matrix, by jointly optimizing the IP and optical layers. We evaluate the performance of the proposed algorithm and conclude that cost savings are obtained when the proposed algorithm is used to plan a multi-layer network, as opposed to a solution which sequentially plans the IP and optical layers. We also conclude that a flexible optical network outperforms a mixed line rate optical network in terms of cost. Finally, we study the multi-layer protection and restoration problem of IP over flexible optical networks. As the optical link failures are common failures observed in optical networks, we consider this type of failures. More specific, we propose a multi-layer protection-restoration algorithm, which examines each possible optical link failure in order to define the traffic affected and calculates new routes at the optical and IP layer (placing in parallel additional equipment in the network when needed) to be used for the restoration of the affected traffic, once an optical link failure occurs. Our goal is to make the network survivable from any potential optical link failure, assuming that each time a single optical link failure will occur. We make various experiments and we conclude that the proposed multi-layer network protection-restoration algorithm, outperforms other solutions providing IP layer only or optical layer only protection-restoration in terms of network’s protection-restoration cost.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Gkamas_Vasileios_phd_final.pdf5.39 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons