Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
143063		Topology and bandwidth adaptation in optical WDM backbone networks with dynamic traffic / Değişken veri trafikli optik WDM omurga ağlarında topoloji ve bant genişliği uyarlama Yazar:AYŞEGÜL GENÇATA Danışman: PROF. DR. MEHMET BÜLENT ÖRENCİK Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı Konu:Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control Dizin:	Onaylandı Doktora İngilizce 2003 140 s.
İletişim ağlan hergün daha çok kişiye erişiyor ve yeni bilgi değişim olanakları sağlıyor. Bunun sonucunda, özellikle veri temelli uygulamalara bağlı olarak trafik isteği hızla artıyor. Bugün, bilgisayar ağlarının bu yüksek bant genişliği isteğini karşılayabilecek başlıca teknoloji optik ağlardır. Optik ağlar iletişim ortamı olarak optik fiberleri kullanırlar ve fiberin benzersiz özelliklerinden yararlanmak için tasarlanmışlardır. Tek bir fiberin bant genişliği yaklaşık olarak 50 Tb/s'dir, bu kapasite daha dar bant ya da kanallara bölünerek ve bu kanallar eşzamanlı çalıştırılarak kullanılabilir. Bu, her kanalın farklı bir dalgaboyunda çalıştiğı ve elektronik parçaların yalnızca bir dalgaboyu kanalının istendiği gibi seçilebilen bit hızında (40 Gb/s'e kadar) çalışabildiği, dalgaboyu bölmeli çoğullama (WDM) ile gerçeklenebilir. IP'nin (Internet Protokolü) yakınsama katmam olarak başarısına ve WDM'in bantgenişliği açısından zengin bir fiziksel katman olmasına bağlı olarak, IP/WDM (Internet Protokolu/WDM) mimarisinin geleceğin kazanan kombinasyonu olacağı giderek belirginleşiyor. Bu noktada zorluk; İP yönlendirme ve kaynak yönetimi ile bağlantılı olan ışıkyolu yönlendirme, yeniden konfigüre edilebilirlik, bağışıklık, anında hizmet sağlama, izleme gibi etkileşim gerektiren konulan çözerek, iki katmanın entegre edilmesini sağlayabilecek, akıllı bir denetim ortamı tasarlamaktır. Optik ağlar için geleceğe yönelik bakış açısı iki bölüme aynlabilir: Devre anahtarlamalı ve paket anahtarlamalı. Paket anahtarlama teknolojisi hala oldukça erken aşamadadır ve birçok teknik engeller nedeniyle, çoğu araştırmacı tarafından uzak gelecekte bir olasılık olarak görülmektedir. Devre anahtarlama yakın geleceğin optik ağlarını tasarlamak için gerçekçi bir yaklaşım olarak değerlendirilmektedir. Bu tez devre anahtarlamalı optik katmanı temel almaktadır, bu nedenle ana konu dalgaboyu yönlendirmeli optik WDM ağlandır. Dalgaboyu yönlendirme optik WDM ağlarının önemli bir avantajıdır. Dalgaboyu yönlendirmeli bir WDM ağı, kaynak ve vanş düğümleri bir fiber ile doğrudan bağlı olmasa bile, optik fiberler ve ara düğümlerdeki optik anahtarlar aracılığı ile uçtan uca optik iletişim kanalları sağlar. Bu optik kanallar (ışıkyollan) fiziksel olarak ışıkyolunun üzerinden yönlendirildiği ara düğümlerde fazladan işlemi ortadan kaldırır. Bir ışıkyolunun kurulması ile iki düğüm görüntü olarak komşu durumuna gelir. Bununla birlikte, ölçeklenebilirlik ve ekonomik kaygılar nedeniyle, her düğüm çifti için bir ışıkyolu kurmak mümkün olmayabilir. Böylece, trafiğin bir kısmının, vanşa erişene kadar bir ışıkyolundan diğerine, ara düğümlerde elektronik olarak yönlendirilmesi gerekebilir; bu yaklaşım çok sıçramalı olarak adlandınlır. Işıkyollannın ayn ayn kurulması işlemi, açıkça görüleceği gibi birbirlerine bağlıdır, çünkü bir ışıkyolu doğrudan bağladığı iki uç düğüm arasındaki tek hop trafiğin yamsıra çok hoplu trafik de taşıyabilir. Bu nedenle, ışıkyolu topolojisinin (sanal topoloji)tasarımı, verilen bir trafik isteğine göre ağ kaynaklarının kullanımını ve ağ verimini eniyilemeyi hedefleyen birleşik bir problemdir. Diğer taraftan, ağdaki düğümlerin arasındaki trafik hızlan zaman içerisinde belirgin biçimde dalgalanmaktadır. Ağ kaynaklan belirli bir trafik matrisine hizmet verecek şekilde düzenlenebilir; ancak, trafik matrisinin kendisi zaman içinde değişmektedir. Bu durumda, verilen trafik isteğine -bu istek değişen bir trafik matrisinin zamanda bir kesitidir- göre eniyilenen bir sanal topoloji, farklı bir trafik isteğini aynı etkinlikle karşılayamayabilir. Bu nedenle, sanal topoloji de değişen trafiğe uyum sağlamak için değiştirilmelidir. Optik anahtarlann dinamik yapısı, bir başka ifadeyle, dalgaboylannı herhangi bir giriş fiberinden herhangi bir çıkış fiberine dinamik olarak anahtarlama yeteneği, optik katmanda^beyle^ir- değifikliğe-olanak^verir. Ba özellik, sanala topolojinin yeniden konfigürasyonu olarak bilinir. Yemden konfigürasyon problemi tanım gereği sanal topolojinin tasannu problemini de içermektedir. Bundan dolayı birçok ölçüt içeren bir eniyileme problemidir, ve sanal topoloji tasarımına karşıt olarak çevrimiçi çözülmesi gerekmektedir. WDM ağlan geçen on yılda popüler bir araştırma alanı olmuş ve tasanm, yönlendirme, kaynak ayırma ve yeniden konfigürasyon problemlerini çözmek için birçok algoritma önerilmiştir. Bu tezin amacı geniş alanlı WDM ağlanmn yeniden konfigürasyonu için yeni bir bakış açısı ortaya koymaktır. Bu amaç, önceki yaklaşımlann geleneksel bakış noktasından kaynaklanan problemler ile motive edilmektedir. Genel bir kabul olarak, yeniden konfigürasyon konusundaki çalışmalar, konfigürasyon karannm ani verildiği, bir olay ile tetiklendiği, ve bunun sonucunda sanal topoloji değişikliğinin kesintili bir süreç olduğu kanısına dayanmaktadır. Bu bakışta Ti trafik matrisi için tasarlanmış bir V\ sanal topolojisi, trafik T2 matrisine değişene kadar aynı kalır, bu yeni matris yeni bir V2 sanal topolojisinin tasarlanmasını tetikler. Diğer yandan, önceki çalışmalar uygun bir tetikleme mekanizması, yani bir omurga ağında sanal topolojinin konfigürasyonu karanmn ne zaman ve nasıl verileceğine ilişkin bir yöntem geliştirme konusunda yetersiz kalmıştır. Bu iki aşamalı yaklaşımda bir diğer problem ise, gelecekteki trafiğin bilindiğinin varsayılmasıdır. Pratikte, esnek bir konfigürasyon yöntemi dinamik trafik ile, gelecekteki trafik beklenen trafik matrisinden farklı bile olsa, başa çıkabilmelidir. Buna ek olarak, yeniden konfigürasyon karmaşık bir problem olduğundan, önerilmiş olan yöntemlerin çoğu yerel arama yöntemi olmalanna rağmen, küçük boyda ağlar için kullanışlıdır. Büyük ağlar için, optik katmanın çevrimiçi konfigürasyonunu sağlayacak, kolay ve etkin algoritmalara gereksinim duyulmaktadır. Gerçek ağlarda yapılan gözlemler, düğümler arasındaki trafiğin zaman içinde belirgin biçimde değiştiğini göstermektedir. Trafiğin en yüksek olduğu andaki (yoğun saatler) hız ile en düşük olduğu andaki (yoğun olmayan saatler) hızın farkı genelde oldukça farklıdır. Bundan dolayı, yeniden konfigürasyon bant genişliğinin ekonomik kullanımı açısından oldukça faydalı olabilir. Trafik hızında iki tür değişkenlik olduğu gözlenebilir, kısa vadeli değişimler (genelde saniye ya da dakika mertebesinde) ve uzun vadeli değişimler (genelde saatler). Yeniden konfigürasyonun nedeni olan uzun vadeli değişimlerde, düğümler arasındaki trafik miktan sürekli ve yumuşak bir şekilde değişir. Bu yüzden, topolojiyi yumuşak bir biçimde değiştiren bir sanal topoloji yeniden konfigürasyon mekanizması, bu tür bir trafik davranışı olan omurga ağlannda yararlı olabilir. Dinamik trafik altındaki WDM ağlannda sanal topolojiyi yeniden konfigüre etmek için bu tezde önerilen yeni bakış açısı sanal topoloji uyarlama olarak adlandınlmıştır. Burada, problem önceki geleneksel iki aşamalı yeniden konfigürasyondan farklı olanyeni bir yaklaşımla tanımlanmıştır. Yeni yaklaşım yeniden konfigürasyonu gözleme ve ayarlamaların kesintisiz bir süreci olarak görmektedir. Bu yaklaşım trafik tahminleri ve kritik tetikleme kararlarına olan gereksinimi ortadan kaldırmakta, aynı zamanda gürbüzlük ve hız sağlamaktadır. Bu tezde tanıtılan yeni yaklaşım öncekilere karşıt olarak tek aşamalı konfigürasyon olarak görülebilir. Yeni yaklaşım sanal topolojide küçük değişikliklerin olabildiği sürekli gözlem-ayar çevriminden oluşmaktadır. Her ışıkyolundaki trafik sürekli olarak gözlenmekte ve bir değişiklik gerektiğinde sanal topolojiye yeni bir ışıkyolu eklenmekte ya da burada olan bir ışıkyolu çıkarılmaktadır. Uyarlama süreci, sistem verimliliğinde gözle görülür bir düşüş olmasını beklemek ve bundan sonra tüm sanal Problemin bu yeni tanımı ile amaç trafiğin tahmin edilebilirliği, kritik tetikleme kararlan ve karmaşık yeniden konfigürasyon algoritmalarından kaynaklanan gecikme sorunlarının çözümüne olanak vermektir. Temel hedef gerçek omurga ağlan için pratik olan bir yöntem elde etmektir. Yeni uyarlama yönteminin temeli sanal topolojiye gerektiği zaman basit ayarlamalar uygulamaktır. Ağ trafiği üzerinde yapılan periyodik ölçümler ışıkyollannın yükleri hakkında bilgi sağlamaktadır. Bu bilgi ayarlamanın gerekli olup olmadığına karar vermek için kullanılır. Temel olarak, bir sıkışıklığa rastlandığında, yani bir ışıkyolunun yükü tehlikeli biçimde yükseldiğinde yeni bir ışıkyolu eklenmekte, bir ışıkyolu etkin olarak kullanılmıyorsa yani yükü çok düşükse o ışıkyolu kaldınlmaktadır. Böylece, bu yöntem ışıkyollanna trafik yükünü uygun şekilde dağıtmaya, ve yük dengesi bozuldukça düğümler arasındaki bağlılığı düzenlemeye çalışmaktadır. Işıkyolu kullanımının etkinliğini saptamak için iki sistem parametresi tanımlanmıştır: Yüksek eşik Wh ve alçak eşik Wl. Işıkyollanndaki trafik yükleri, tipik olarak birkaç yüz saniye uzunlukta olan her m gözlem aralığı sonunda ölçülür. Bir gözlem aralığı sonunda bir ya da daha fazla ışıkyolunun yükü Wjy'dan büyükse yükü azaltmak için yeni bir ışıkyolu kurulur. Bir ışıkyolundaki yük WVnin altına düştüğünde bu yol bir koşula bağlı olarak kaldınlır: Sözkonusu ışıkyolunu kullanan trafiğin yönlendirileceği başka bir yolun bulunması. Önerilen yöntem bir ISP tarafından sanal topolojisinin işletim masrafım, yalnızca tam anlamıyla gerekli gördüğü miktarda ışıkyolunu kiralayarak, enaza indirgemek için kullanılabilir. Önceki yeniden konfigürasyon ve sanal topoloji tasarlama çalışmalan, genellikle sanal topolojideki ışıkyolu sayısını maksimize etmektedir. Bu yöntemlerin amacı en fazla miktarda trafik taşıyabilmek için mümkün olan tüm ağ kaynaklannı kullanmaktır. Diğer yandan fiber altyapısı ISP' e ait olmayabilir, bu durumda ISP ışıkyollannı kiralamalıdır. Bu gerçek dünyada sık rastlanan bir iş modelidir, bu nedenle topoloji tasarım ve yeniden konfigürasyon yöntemlerinin ekonomik çözümler sağlamasına gerek duyulmaktadır. Yem uyarlama yöntemi bu anlamda da yenilik getirmektedir, çünkü yalnızca gerekli olan ışıkyollannı canlı tutmaktadır. Yeni uyarlama yöntemi önceki yöntemlerle kıyaslandığında işlem karmaşıklığı açısından daha basittir. Bir yeniden konfigürasyon yöntemi için basitlik yaşamsal bir öneme sahiptir çünkü sürecin çevrimiçi işlemesi gerekmektedir. Bu çalışmada uyarlama yöntemi önce formel olarak bir kanşık tamsayılı lineer program (MTLP) olarak ortaya koyulmuştur. Bu MTLP formülasyonu çözülerek yem uyarlama yönteminin başarımı daha önceki bir yeniden konfigürasyon yöntemi (optimal rekonfigürasyon) ile karşılaştınlmıştır. Bu karşılaştırmanın sonuçlan,uyarlama yönteminin topolojiyi optimal rekonfigürasyona kıyasla çok daha az ışıkyolu değişikliği yaparak uyarlayabildiğim göstermektedir. Büyük ağlarda, yeniden konfigürasyon için optimal çözümü bulmayı hedefleyen formülasyonlan çözmek çoğunlukla olanaksızdır, bu nedenle sezgisel (heuristic) yaklaşımlara gerek vardır. Bundan dolayı, bir sonraki aşamada, önerilen sanal topoloji uyarlama yöntemi için sezgisel bir algoritma geliştirilmiştir. Uyarlama yaklaşımının uygunluğunu araştırmak ve çeşitli sistem parametrelerinin etkisini ortaya çıkarmak için benzetim deneyleri yapılmıştır. Uyarlama yönteminin değişik yönlerini ortaya çıkarmak için, ardışıl uyarlama adımlan arasındaki ortalama süre, trafik ağırlıklı ortalama hop uzaklığı, sanal topolojideki ışıkyolu sayısı ve [Wl, Wh] aralığı uygulanmıştır. Bu ölçütler aracılığıyla sistem parametrelerim, yani yüksek eşik, alçak eşik ve gözlem aralığının uzunluğunu değiştirmenin etkileri incelenmiştir. Bu deneyler, algoritmanın yük değişimlerine beklendiği gibi tepki verdiğini, ve iki ana sistem parametresi yüksek ve alçak eşiklerin, önerilen uyarlama yönteminin çalışmasını ayarlamada etkin olarak kullanılabileceğini göstermiştir. İkinci bir katkı olarak bu tez CATZ (Capacity Allocation with Time Zones) adı verilen bir bant genişliği uyarlama yöntemi önermektedir. Bu yöntem dünya çapında bir WDM omurga ağım ekonomik bir şekilde işletebilmek için günlük trafik dalgalanmaları ve zaman dilimi temelli trafik kaymalarından yararlanmaktadır. Bu yöntemde ana varsayım yakın gelecekte bant genişliği pazarlarının hizmet sağlayıcılara hızlı çevrimiçi bant genişliği atamaya izin vereceğidir. Burada, bir IP/WDM ağındaki yeniden konfigürasyon problemi, gelişmekte olan bant genişliği pazarları ve bant genişliği kiralamada değişik hizmet tipleri ile ortaya çıkan yeni zorlukların ışığı altında, bir ISP'nin bakış açısından araştınlmaktadır. Sanal topoloji tasarımı üzerindeki önceki çalışmalar ışıkyolu bağlılığının yüksek miktarda trafik taşıyabilmesi için İP trafiğini uygun olarak yönlendirme konusunda yoğunlaşmaktadır. Bu çalışmalar bir ışıkyolu için sabit bir kapasite varsaymakta ve dalgaboyu altı bant genişliklerini gözönüne almamaktadır. Bunlar ayrıca ISP'nin amacı, yani ağ masrafını enaza indirerek yüksek kar sağlamak ile de çelişmektedir; çünkü uygun ve ekonomik bir çalışan ışıkyolu kümesi yerine mümkün oldukça çok sayıda ışıkyolu kurmaya çalışmaktadırlar. Ağ uyarlama çalışmaları tasarım çalışmalarına bu her iki konuda da benzerlik gösterirler ve bu tip çalışmaların gelecekteki gerçek ağlara uygulanmaları zordur. Bu çalışmada IP/WDM omurga ağlarında bant genişliği atama ve bant genişliğini yeniden konfigüre etmek için ekonomik bir yöntem araştırılmaktadır. İP trafiği oldukça dinamiktir, ancak bir omurga ağında, trafiğin üstüste binmesine bağlı olarak, bu dinamiklik yumuşar ve belirli bir şekle sahip günlük bir profil izler. WDM teknolojisi ile bu özellikten faydalanılabilir, çünkü dalgaboyu yönlendirmeli WDM ağlan optik anahtarlan düzenleyerek ağ topolojisini (bağlılık ve bant genişliği) ayarlayabilen esnek bir altyapı sunmaktadır. Diğer yandan, dünya çapında bir ağın trafik yapısı incelendiğinde, dinamikliğin başka bir boyutu görülebilir: trafik zaman dilimlerine göre kayar. İki düğüm arasındaki tipik bir trafik profili, tepenin gün ortası civannda olduğu ve vadinin sabahın erken saatlerine rastladığı (örneğin 03.00) sinüzoidal bir şekil izler. Dünyanın değişik bölgeleri farklı zaman dilimlerinde bulunduğundan her düğüm bulunduğu bölgenin zaman dilimine uygun olarak değişen bir trafik yaratır. Bu yeni dinamik yapı göz önüne alındığında ağın bant genişliği masrafi sanal topolojinin tasarım aşamasında bile azaltılabilir. Bu tezdeki çalışma, ışıkyolukapasitelerini yeniden konfigüre ederek bant genişliği masrafında önemli düşüşler elde edilebileceğini göstermektedir. CATZ yönteminde kanallar üzerlerinden akan trafik miktarım ölçmek amacıyla periyodik olarak gözlenir, ve kanalların bir sonraki zaman aralığındaki bant genişlikleri bu yüklere göre belirlenir. Bu yöntemde kanal kapasitelerinin değişmesine izin verilmektedir, çünkü alttaki iletim sistemi, optik anahtarlar ve küresel taşıyıcıların çevrimiçi bant genişliği hizmeti sağladığı varsayılmaktadır. Bant genişliği pazarları OC-3, OC-12, OC-48 ya da OC-192 kapasitelerinde optik kanallar sağlayabildiklerinden kanal kapasitelerinde adım artırma ve azaltma miktarları OC-l'in katlan olabilir, yeterli sayıda alıcı ve verici olduğu sürece düğümler arası paralel kanallar da kurulabüir^¥em yaklaşım, ağın ban^genişliği masrafı başatım^ ölçütü olarak kullanılarak, iki statik bant genişliği atama yöntemiyle karşılaştınlmıştır. Deneyler trafiğin dinamikliğini dikkate alan bir bant genişliği uyarlama yöntemi kullanılarak masrafta önemli iyileştirmeler elde edilebileceğini göstermektedir. Sonuç olarak bu tez, sanal topolojinin yeniden konfigürasyonu problemini, kesintisiz bir süreç olarak ele alındığı yeni bir perspektife taşımaktadır ve bu yeni yaklaşımı kullanarak hızlı çevrimiçi topoloji uyarlama için iki yeni yöntem önermektedir. Bu tezde elde edilen sonuçlar uyarlanabilir WDM omurga ağlarını kurmak için cesaret vericidir, çünkü ağ kaynaklarını uygun şekilde yönetebilen basit ve etkin algoritmaların tasarlanabileceğim göstermektedirler. Bu çalışmada tanıtılan yeni bakış açısı olan yeniden konfigürasyon yerine uyarlama, ağ yöneticileri için daha etkin yeni yöntemlerin tasarımına öncülük yapabilir.
Communication networks reach more people everyday, providing new means of information exchange. Consequently, traffic demand is growing rapidly, mainly due to data-centric applications. Today, the major technology that is promising to meet this high bandwidth demand of networks is optical networking. Optical networks use optical fibres as transport medium and they are designed to exploit the fibre's unique properties. The bandwidth of a single fibre is nearly 50 Tb/s, which can be used by dividing it into smaller bands or channels, and using these channels concurrently. This is accomplished by wavelength division multiplexing (WDM), where each channel operates at a different wavelength and the electronic equipment should operate only at the bitrate of a wavelength channel (up to 40 Gb/s), which can be chosen arbitrarily. It is becoming clear that IP-over- WDM (Internet Protocol over WDM) architecture will be the winning combination of the future, due to the success of IP as a convergence layer, and WDM as a bandwidth-rich physical layer. The challenge is to design an intelligent control plane that could realise the integration of the two layers, by solving interactive issues, such as, lightpath routing coupled with IP routing and resource management, reconfigurability, survivability, online service provisioning, monitoring. The future's perspective for optical networking can be divided into two categories: Circuit switched, and packet switched. Packet switching technology is still in a very early stage, seen as a far future possibility by most researchers, because of several technical obstacles. Circuit switching is considered to be a realistic approach to design the optical networks for the near future. This thesis is based on a circuit switched optical layer, i.e., the main topic is wavelength-routed optical WDM networks. Wavelength-routing is a major advantage of a WDM optical network. A wavelength-routed WDM network can provide end-to-end optical communication channels through optical fibres and intermediate nodes with optical cross-connects, even the source and destination nodes are not connected by a fibre directly. These optical channels (lightpaths) eliminate extra signal processing at intermediate nodes along the physical path through which the lightpath is routed. With the set up of a lightpath, two nodes become virtually neighbors. However, it may not be possible to establish a lightpath for every node pair, because of scalability and economic concerns. Hence, some traffic may need to be switched electronically from one lightpath to another at intermediate nodes until it reaches its destination; this approach is called multi-hopping. The processes of setting up individual lightpaths are clearly related to one another since a lightpath may carry multi-hop traffic besides the single-hop traffic between the two nodes it directly connects. For this reason, the design of the lightpath topology (virtual topology) is a combined problem of optimizing the use of network resources and network throughput, for a given traffic demand.On the other hand, the traffic rates between node pairs of a network fluctuate distinguishably over time. The network resources can be arranged to accommodate a specific traffic matrix; however, the traffic matrix itself changes through time. In such case, a virtual topology which is optimized for a given traffic demand -which would be a snapshot of the changing traffic matrix- may not be able to respond with equal efficiency to a different traffic demand. Thus, the virtual topology should also be changed to match itself with the changing traffic. The dynamic structure of the optical cross-connects, i.e., the ability of switching the wavelengths from any input fibre to any output fibre dynamically, allows this change in the optical layer. This is known as reconfiguration of the virtual topology. Reconfiguration problem includes the virtual topology problem by its definition. Therefore, it is also an optimisation topology design problem. WDM networks have been a popular research area in the past decade, and many algorithms have been proposed to solve the design, routing, resource allocation, and reconfiguration problems. The objective of this thesis is to provide a new perspective for the reconfiguration of wide-area WDM networks. This objective is motivated by the problems originating from the usual view of the previous approaches. As a general assumption, reconfiguration studies are based on the idea that the decision of reconfiguration is sudden, triggered by an event, and consequently virtual topology change is an interrupted process. In this view a virtual topology Vi designed for traffic matrix T\ remains the same until the traffic changes to a matrix T2, which in turn triggers the design of another virtual topology V2- On the other hand, previous studies lack to design a proper triggering mechanisms, i.e., when and how to decide to reconfigure the virtual topology in a backbone network. Another problem with this two-step approach is that the future traffic is assumed to be known. In practise, a flexible reconfiguration method should deal with dynamic traffic, even when the future traffic is different than the expected matrix. Furthermore, since the reconfiguration is a complex problem, most of the methods proposed are useful for small-size networks, even though they are local search methods. For large networks, simple and effective algorithms are needed to provide on-line reconfiguration of the optical layer. Observations on real networks show that the traffic rates between node pairs fluctuate distinguishably over time. The difference between the traffic intensity at highest point (busy hours) and the traffic intensity at lowest point (non-busy hours) is usually remarkable. Thus, reconfiguration may be very beneficial in terms of economical use of the bandwidths. One can also observe that there are two types of variations in traffic intensity, short-term variations (typically seconds or minutes) and long-term variations (typically hours). In long-term variations, which are the reason of reconfiguration, the amount of traffic between nodes changes in a smooth and continuous manner. Therefore, a virtual topology adaptation mechanism that changes the topology slowly, can be beneficial for backbone networks that have similar traffic behaviour. The new perspective introduced in this thesis for reconfiguring the virtual topology in WDM networks under dynamic traffic is called virtual topology adaptation. Here, the problem is defined from a new point of view, different from the traditional two-step reconfiguration. The new approach sees the reconfiguration as a continuous process of observations and adjustments. This approach eliminates the need for traffic forecasts and critical triggering decisions, while providing robustness and speed.The new approach introduced in this thesis can be viewed as a one-step reconfiguration approach in contrast to the previous methods. It is composed of continuous observation-adjustment cycles, where small changes may occur in the virtual topology. The traffic on each lightpath is observed continuously, and a new lightpath is added to or an existing lightpath is removed from the virtual topology when a change is necessary. The adaptation process is a continuous system where small adjustments are made, instead of waiting for a noticeable drop in system efficiency and changing the entire topology. With this new definition of the problem, the aim is to solve the issues of unpredictability of the traffic, critical triggering decisions, and the delay that is introduced by complicated reconfiguration algorithms. The ultimate goal is to obtain a scheme, which is practical for real backbone networks. The basis of the new adaptation method is to apply simple adjustments to the virtual topology when it is necessary. The periodical measurements on network traffic provides information on the lightpath loads. This information is used to decide whether or not an adjustment is needed. Basically, a new lightpath is added when a congestion is encountered, i.e., a lightpath load is dangerously high, and a lightpath is deleted if it is being under-utilized, i.e., its load is very low. Therefore, this scheme tends to balance the traffic loads evenly to the lightpaths, and to modify the connectivity of nodes when the balance changes. Two system parameters are introduced to detect the lightpath-usage efficiencies: High watermark WH and low watermark WL. The traffic loads on lightpaths are measured at the end of each observation period, which is typically hundreds of seconds. At the end of an observation period, if the load of one or more lightpaths is higher than Wh, a new lightpath is established to decrease that load. When the load of a link drops below WL, that link will be torn down with one condition: if alternate paths exist for diverting the traffic that uses the considered lightpath. The approach proposed can be used by an ISP to minimise the operational cost of its virtual topology by leasing only the appropriate amount of lightpaths as it considers to be really necessary. Previous reconfiguration and virtual topology design studies usually maximises the number of lightpaths in a virtual topology. The aim of these methods is to use all possible network resources to carry maximum amount of traffic. On the other hand the fibre infrastructure may not belong to the ISP, in which case the ISP has to lease the lightpaths. This is a common business model in real world, hence, the topology design and reconfiguration methods are required to provide cost-efficient solutions. The new adaptation method is novel also in this sense, since it maintains only the necessary lightpaths. The new adaptation scheme is computationally simple when compared to previous studies. Simplicity is vital for a reconfiguration method, because the process should be on-line. In this study, the adaptation method is first stated formally as a mixed-integer linear program (MITP), The performance of the new adaptation scheme is compared to an earlier reconfiguration method (optimal reconfiguration), by solving the MTLP formulation. The results of this comparison shows that the adaptation scheme can reconfigure the topology using far fewer lightpath changes compared to the optimal reconfiguration. Formulations aiming to find an optimal solution for the reconfiguration in large networks are intractable, hence heuristic approaches are needed. Therefore, in the next step, a heuristic algorithm is introduced for the virtual topology adaptation method proposed. Simulation experiments are conducted to investigate the fitness of theadaptation approach and to expose the effect of various system parameters. Various performance metrics are employed to reveal the different aspects of the adaptation scheme, such as, the average time between consecutive reconfiguration steps, the traffic-weighted average hop distance, number of lightpaths in the virtual topology, and the percentage of links with loads in the balanced region defined as [Wl, Wh\- Through these metrics, the effects of changing the system parameters are examined, specifically, high watermark, low watermark, and length of observation period. These experiments showed that the algorithm is reacting to the load changes as expected, and the two main system parameters, namely high and low watermarks, can be effectively used to regulate the operation of the proposed virtual-topology adaptation method. called CATZ (Capacity Allocation with Time Zones), that exploits the daily traffic fluctuations and time-zone based traffic shifts to cost-effectively operate a world-wide WDM backbone network. The main assumption of this method is that, in the near future the bandwidth markets will allow fast online bandwidth provisioning for service providers. Here, the reconfiguration problem in an IP-over- WDM network is investigated from the point of view of an ISP under the light of the new challenges posed by the emerging bandwidth markets, and different service types in leasing bandwidths. Previous studies on virtual topology design concentrate on routing the IP traffic appropriately, so that the lightpath connectivity can carry a large amount of traffic. These studies consider a constant capacity for any lightpath and do not take into account the sub-wavelength bandwidth granularities. They also contravene the objective of the ISP, to minimise the network cost for high profit; because they try to set up as many lightpaths as possible, instead of an appropriate and cost-effective working set of lightpaths. Network reconfiguration studies are similar to design studies in both aspects, and their application to future real networks is difficult. In this work, a cost-efficient method is investigated for bandwidth allocation and bandwidth reconfiguration for global IP-over- WDM backbone networks. IP traffic is very dynamic, but in a backbone network, due to traffic aggregation, this dynamism becomes smoother, following a well-shaped daily profile. This property can be exploited by WDM technology, since wavelength-routed WDM networks provide a flexible infrastructure that can adjust the network topology (connectivity and bandwidth) by reconfiguring the optical cross-connects. On the other hand, when a world-wide network traffic structure is examined, another dimension of dynamism can be seen: traffic shifts based on the time zones. A typical traffic profile between two nodes follow a sinusoidal shape, where the peak is around midday and the valley around early hours of the morning, e.g. 03.00. Since different locations in the world are in different time zones, each node will create a traffic whose intensity changes according to that node's time zone. When this new type of dynamism is considered, the bandwidth cost of the network can be reduced, even in the design step of the virtual topology. The study in this thesis show that a large reduction on bandwidth cost can be achieved by reconfiguring the lightpath capacities. In CATZ, the channels are observed periodically to measure the traffic intensities flowing through them, and the bandwidth of the channel for the next period is set according to these intensities. In this method, the capacities of the channels are allowed to change, since the underlying transport system, optical switches, and the global carriers are assumed to provide on-line bandwidth services. The amount of stepincrease or decrease can be a multiple of OC-1, since the bandwidth markets provide optical channels at capacities of OC-3, OC-12, OC-48, or OC-192. Parallel channels are also possible between nodes, as long as there are enough transceivers. The new approach is compared with two static bandwidth allocation schemes using network bandwidth cost as the performance metric. The experiments show that an important cost improvement can be obtained by using a bandwidth reconfiguration scheme that takes into consideration the dynamism of the traffic. In summary, this thesis brings the virtual-topology reconfiguration problem to a new perspective where it is considered as a continuous process, and by using this new approach, it proposes two new methods for fast online topology adaptation. The results networks, since they show that simple and efficient algorithms that could properly manage the network resources can be designed. The new view introduced in this work, namely adaptation instead of reconfiguration, may propel new methods that are more efficient for the network operators.