Ontwerp en optimalisatie van optische grids en clouds Design and Optimization of Optical Grids and Clouds Jens Buysse Promotoren: prof. dr. ir. C. Develder, prof. dr. ir. B. Dhoedt Proefschrift ingediend tot het behalen van de graad van Doctor in de Ingenieurswetenschappen: Computerwetenschappen Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: prof. dr. ir. D. De Zutter Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2012 - 2013 ISBN 978-90-8578-591-0 NUR 986 Wettelijk depot: D/2013/10.500/24 Universiteit Gent Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Vakgroep Informatietechnologie Promotoren: prof. dr. ir. Chris Develder prof. dr. ir. Bart Dhoedt Universiteit Gent Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Vakgroep Informatietechnologie Gaston Crommenlaan 8 bus 201, B-9050 Gent, Belgie¨ Tel.: +32-9-331.49.00 Fax.: +32-9-331.48.99 Dit werk kwam tot stand in het kader van een specialisatiebeurs van het IWT-Vlaanderen (Instituut voor de aanmoediging van Innovatie door Wetenschap en Technologie in Vlaanderen). Proefschrift tot het behalen van de graad van Doctor in de Ingenieurswetenschappen: Computerwetenschappen Academiejaar 2012-2013 Weten waar Abraham zijn mosterd haalt Op het moment van schrijven, zit ik aan een klein tafeltje te mijmeren aan een raam met zicht op de op dit moment nog besneeuwde bergtoppen van Alpe d’Huez; Lady d’Arbanville van Cat Stevens speelt op de achtergrond. Over twee weken geef ik de presentatie op de publieke verdediging en dat doet me nadenken: hoe ben ik tot dit punt geraakt? Herinneringen aan leuke maar ook minder leuke momenten doen de revue: hoe ik trots na een vergadering in Barcelona belde naar Emma om te zeggen dat ik met mijn voeten in de Middellandse zee stond, maar ook de nacht waar ik verwoed en uitgeteld resultaten van de cluster haalde om te beseffen dat er nog steeds een foutje in de programmatuur zat. Nee, niet alles verliep altijd van een leien dakje, maar hoe meer ik erover nadenk, hoe meer ik besef dat ik me een paar vuistregels voor ogen gehouden heb die me naar dit punt geleid hebben. Deze regels wil ik jullie niet onthouden beste familie, vrienden, collega’s en even- tuele toekomstige doctoraatsstudenten die dit boek ter hand genomen hebben als inspiratie voor hun eigen werk. Quitters never win, winners never quit. But those who never win and never quit are idiots. Deze slagzin komt van David Brent, het fictieve personage uit “The Office”. Hoe- wel hij het voor totaal andere redenen zegt, heeft het wel betrekking tot het vol- brengen van dit werk. Na het sollicitatiegesprek met Piet Demeester, Bart Dhoedt en Filip De Turck heb ik de kans gekregen om aan deze klus te beginnen, waarbij het behalen van de IWT beurs voor een stabiel financieel kader zorgde. Ik ben zowel IBCN als het IWT dankbaar voor deze kans, niettegenstaande er toch mo- menten waren dat ik met de gedachte speelde om er de brui aan te geven. Drie mensen hebben hier een cruciale rol gespeeld en hielpen die gedachten omzetten in een duidelijk motivatie. De oudste herinnering die ik aan Marc De Leenheer heb is die waar ik hem onverwacht na de werkuren tegenkwam in cafe´ Dambert. Na wat bier gaf hij me eveneens een gouden raad: “Als je iets niet begrijpt, niet goed weet hoe aan te pakken of andere problemen hebt kom dan bij ofwel mij ofwel je promotor aan- kloppen - en blijf dit doen totdat je het antwoord hebt.” Ik heb die raad steevast ii opgevolgd. Een van die personen bij wie ik kon aankloppen, was Chris Develder, die me nauw opgevolgd heeft. Zonder jouw paperreviews en brainstormsessies had dit werk waarschijnlijk nooit tot stand kunnen komen. Bart Dhoedt maakte het plaatje compleet, met zijn opmerkelijke gave om na twee minuten volledig mee te zijn met het onderwerp en net dat gaatje op te vullen waar de student al menige uren zijn hoofd over gebroken heeft. Mensen die je zowel door de modder als door regen- plassen helpen Als er iets is dat je als doctoraatstudent niet mag missen, zijn het mensen bij wie je terecht kan op moeilijke momenten, maar ook op gebeurtenissen waarbij vreugde gedeeld wordt. Bij mij is dat op eerste plaats Emma Matthys, die me onvoorwaar- delijke gesteund heeft, ongeacht hoe chagrijnig ik ook thuis kwam na een dag van onsuccesvol zoeken naar die ene fout die zich maar om de 10000 events voordoet. Soms was de mogelijkheid om mijn hoofd op jouw schoot te mogen leggen meer dan genoeg om de volgende dag met volle moed terug op mijn fiets te kruipen. Zonder Emma, had ik hier waarschijnlijk niet gestaan. Dat geldt ook voor Johan Buysse, Elly Vervaart & Jannes Buysse, vader, moeder en broer, die bovenstaande taak overgenomen hebben wanneer Emma even niet te bespeuren was. Markeer trouwens volgende naam: “Tim Raats”. Naast een van mijn beste vrienden is hij ook een partner in crime. Hij is op dit moment, naast enkele an- dere schrijfsels, zijn eigen doctoraatsproefschrift (communicatiewetenschappen) aan het voorbereiden. Samen Aspe bekijken, een film meepikken, Hommelbier drinken, pistes afglijden : he does it all! Samen met Emma ben ik hem veel ver- schuldigd en ik hoop van harte dat andere mensen ook dergelijke personen rondom zich mogen hebben. Mensa Sana in Corpore sano Ook al lijkt het of dat je je tijd toch beter besteedt aan het oplossen van het eigen- lijke academische probleem, is het toch beter om even afstand te nemen en eens je lichaam goed op de proef te stellen. Bij mij was dit grotendeels in de vorm van mijn passie waterpolo. Wat begon als een maandagavondtraining, werd al vlug uitgebreid naar een donderdagavondtraining met af en toe zelfs (inter)nationale uitwedstrijden. Onze miskende trainer en tevens organisator van alles wat met waterpolo te maken heeft bij de UGent (en bij uitbreiding gans Gent), Willem Vercruysen, verdient daardoor ook een grote pluim. Hij zorgde ervoor dat ik dat balletje over en weer kon gooien met “ons Timmeke” waarna af en toe een belletje rinkelde en het oorspronkelijke vraagstuk de volgende ochtend eens anders ging aanpakken. iii Nous ne sommes jamais “sans famille” Als groentje ben ik bureau 2.22 binnen gegaan, als vader overste verlaat ik het. Veel mensen hebben er hun stekje gehad: Masha, Pieter & Peter (voor e´en´ of andere reden noem je die altijd samen) Jos, Johannes, de Dieters, Matthias, Heiko, Bart, Kevin en nog vele anderen. Hoewel mijn scriptieonderwerp vaak een ver van mijn bed show was voor hen, kon ik toch regelmatig bouwen op hun expertise, zoals hieronder waar we samen een C++ raadsel ontcijferen. Op de derde verdieping, in een donker hoekje met harde Slayer basklanken op de achtergrond, heb je kans om “Slype” tegen het lijf te lopen. Tijdens mijn eerste jaar werken had ik zoals vele mensen redelijk wat schrik van deze kolos, maar die schrik veranderde met de jaren in een stevige vriendschap die we samen met Emma gevierd hebben op 12 meter diepte door eens van ademautomaat te wisselen. Frameworks Het leuke aan dit doctoraatsonderzoek is dat het grotendeels uitgevoerd is in het kader van het Europese GEYSERS project. Hiervoor werd ik vaak op missie ge- zonden naar projectmeetings, waardoor ik toch al mooie delen van Europa heb mogen bezichtigen en in contact gekomen ben met mensen die op hetzelfde onder- werp werken. Anna Tzanakaki en Kostas Georgakilas zijn er twee van. Ik heb de eer gehad om twee mooie en warme maanden in Athene bij hen op AIT te mogen werken, wat zowel voor een wereldlijke als een professionele verruiming gezorgd heeft, alsook hoofdstuk5 in deze thesis. Ter leering ende vermaak Doctoreren betekent artikels schrijven en op conferenties gaan. Ik heb daarbij veelvuldig het nuttige aan het aangename gekoppeld: kitesurfen in Maui, late night comedy in New York, bezoek van de Gouden Tempel in Kyoto, Cirque du Soleil iv bezichtigen in Montreal . en eenmaal werd het aangename teruggekoppeld aan het nuttige: tijdens een rondleiding in Washington ben ik aan de praat geraakt met Brigitte Jaumard en uit dat gesprek is uiteindelijk een groot gedeelte van hoofdstuk 4 gekomen. En tot slot, enkele losse raadgevingen • Probeer zo veel mogelijk acroniemen vanbuiten te kennen, dat maakt altijd indruk. • Zoek een plaatsje buiten je werkomgeving waar je in de zomer even gezellig kan vertoeven (ik heb veel “patatten geplant” met David Plets) • Zorg dat je de sleutel van je bureau altijd bij je hebt, zodat je niet buitenge- sloten wordt. • Bij het ophalen van examenfiles, zorg ervoor dat je een goed werkende USB stick hebt. • ... Ter afsluiting, probeer niemand te vergeten bij het schrijven van je dankwoord! Gent, April 2013 Jens Buysse Table of Contents Dankwoordi Samenvatting xxix Summary xxxiii 1 Foreword1 1.1 Distributed computing.......................2 1.1.1 History of distributed computing in a nutshell.......2 1.1.2 Treating the network as a valuable resource........5 1.2 Challenges in optical grid/cloud computing............6 1.3 Organization of this work......................7 1.4 Publications.............................9 1.4.1 Publications in international journals (listed in the Science Citation Index)............9 1.4.2 Publications in book chapters............... 10 1.4.3 Publications in international conferences (listed in the Science Citation Index)............ 10 1.4.4 Publications in other international conferences...... 13 1.4.5 Publications in national conferences............ 13 References................................. 14 2 Optical clouds and grids 17 2.1 The need for grid and cloud computing............... 17 2.2 Architecture and models...................... 20 2.2.1 Grid Computing...................... 20 2.2.2 Cloud Computing...................... 22 2.2.2.1 Different forms of cloud computing....... 24 2.3 Underlying transport architectures................. 25 2.3.1 Optical transmission.................... 26 2.3.2 Introducing the optical cross connect........... 27 2.3.2.1 Optical Components..............