Using Software Defined Networking to manage and control IEC61850-based systems

Smart Grid makes use of Information and Communications Technology (ICT) infrastruc- tures for the management of the generation, transmission and consumption of electrical energy to increase the efficiency of remote control and automation systems. One of the most widely accepted standards for power system communication is IEC 61850, which defines services and protocols with different requirements that need to be fulfilled with traffic engineering techniques. In this paper, we discuss the implementation of a novel management framework to meet these requirements through control and monitoring tools that provide a global view of the network. With this purpose, we provide an overview of relevant Software Defined Networking (SDN) related approaches, and we describe an archi- tecture based on OpenFlow that establishes different types of flows according to their needs and the network status. We present the implementation of the architecture and evaluate its capabilities using the Mininet network emulator.     &nbsp

A study of the applicability of software-defined networking in industrial networks

173 p.Las redes industriales interconectan sensores y actuadores para llevar a cabo funciones de monitorización, control y protección en diferentes entornos, tales como sistemas de transporte o sistemas de automatización industrial. Estos sistemas ciberfísicos generalmente están soportados por múltiples redes de datos, ya sean cableadas o inalámbricas, a las cuales demandan nuevas prestaciones, de forma que el control y gestión de tales redes deben estar acoplados a las condiciones del propio sistema industrial. De este modo, aparecen requisitos relacionados con la flexibilidad, mantenibilidad y adaptabilidad, al mismo tiempo que las restricciones de calidad de servicio no se vean afectadas. Sin embargo, las estrategias de control de red tradicionales generalmente no se adaptan eficientemente a entornos cada vez más dinámicos y heterogéneos.Tras definir un conjunto de requerimientos de red y analizar las limitaciones de las soluciones actuales, se deduce que un control provisto independientemente de los propios dispositivos de red añadiría flexibilidad a dichas redes. Por consiguiente, la presente tesis explora la aplicabilidad de las redes definidas por software (Software-Defined Networking, SDN) en sistemas de automatización industrial. Para llevar a cabo este enfoque, se ha tomado como caso de estudio las redes de automatización basadas en el estándar IEC 61850, el cual es ampliamente usado en el diseño de las redes de comunicaciones en sistemas de distribución de energía, tales como las subestaciones eléctricas. El estándar IEC 61850 define diferentes servicios y protocolos con altos requisitos en terminos de latencia y disponibilidad de la red, los cuales han de ser satisfechos mediante técnicas de ingeniería de tráfico. Como resultado, aprovechando la flexibilidad y programabilidad ofrecidas por las redes definidas por software, en esta tesis se propone una arquitectura de control basada en el protocolo OpenFlow que, incluyendo tecnologías de gestión y monitorización de red, permite establecer políticas de tráfico acorde a su prioridad y al estado de la red.Además, las subestaciones eléctricas son un ejemplo representativo de infraestructura crítica, que son aquellas en las que un fallo puede resultar en graves pérdidas económicas, daños físicos y materiales. De esta forma, tales sistemas deben ser extremadamente seguros y robustos, por lo que es conveniente la implementación de topologías redundantes que ofrezcan un tiempo de reacción ante fallos mínimo. Con tal objetivo, el estándar IEC 62439-3 define los protocolos Parallel Redundancy Protocol (PRP) y High-availability Seamless Redundancy (HSR), los cuales garantizan un tiempo de recuperación nulo en caso de fallo mediante la redundancia activa de datos en redes Ethernet. Sin embargo, la gestión de redes basadas en PRP y HSR es estática e inflexible, lo que, añadido a la reducción de ancho de banda debida la duplicación de datos, hace difícil un control eficiente de los recursos disponibles. En dicho sentido, esta tesis propone control de la redundancia basado en el paradigma SDN para un aprovechamiento eficiente de topologías malladas, al mismo tiempo que se garantiza la disponibilidad de las aplicaciones de control y monitorización. En particular, se discute cómo el protocolo OpenFlow permite a un controlador externo configurar múltiples caminos redundantes entre dispositivos con varias interfaces de red, así como en entornos inalámbricos. De esta forma, los servicios críticos pueden protegerse en situaciones de interferencia y movilidad.La evaluación de la idoneidad de las soluciones propuestas ha sido llevada a cabo, principalmente, mediante la emulación de diferentes topologías y tipos de tráfico. Igualmente, se ha estudiado analítica y experimentalmente cómo afecta a la latencia el poder reducir el número de saltos en las comunicaciones con respecto al uso de un árbol de expansión, así como balancear la carga en una red de nivel 2. Además, se ha realizado un análisis de la mejora de la eficiencia en el uso de los recursos de red y la robustez alcanzada con la combinación de los protocolos PRP y HSR con un control llevado a cabo mediante OpenFlow. Estos resultados muestran que el modelo SDN podría mejorar significativamente las prestaciones de una red industrial de misión crítica

Mécanisme de protection rapide pour un réseau Ethernet de classe opérateur contrôlé par le protocole IS-IS.

Depuis sa création, la technologie Ethernet a évolué d’une technologie de réseaux locaux jusqu’à être utilisée dans les réseaux d’accès métropolitain et de transport. Plusieurs mécanismes sont utilisés pour que les nouveaux réseaux Ethernet soient capables d’offrir les caractéristiques d’un réseau de classe opérateur (Carrier-class). Pour le contrôle du réseau, l’utilisation d’un protocole à état de liens (link-state) à la place du Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) est l’une des améliorations utilisées par les nouvelles technologies Ethernet telles que le Provider Link State Bridging (PLSB), le Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL) et le Shortest Path Bridging (SPB); ces technologies utilisent le protocole Intermediate System to Intermediate System (IS-IS) qui était déjà utilisé comme protocole de routage dans les réseaux sans connexion comme IP. Pourtant, pour que ces nouveaux réseaux Ethernet puissent atteindre le niveau de performance d’un réseau de classe opérateur, comme pour les réseaux Time-division Multiplexing (TDM) traditionnels, il faut que de nouveaux mécanismes spécifiquement adaptés à ce genre de réseau soient développés. Le temps de convergence élevé des protocoles de contrôle Ethernet est un des problèmes rencontrés tant dans les réseaux traditionnels que de nouvelle génération. L’objectif de notre recherche est donc la proposition d’un mécanisme de recouvrement capable d’utiliser des chemins alternatifs préconfigurés pour améliorer la vitesse de recouvrement des réseaux Ethernet qui utilisent le protocole IS-IS dans le plan de contrôle. Dans ce mémoire nous présentons une analyse du temps de recouvrement des protocoles de contrôle utilisés dans les réseaux Ethernet. Nous développons aussi un mécanisme de recouvrement rapide pour un réseau Ethernet de classe opérateur contrôlé par un protocole à état de liens. Des simulations sont utilisées pour montrer l’avantage de l’utilisation de ce mécanisme en relation au mécanisme de recouvrement global du protocole IS-IS.Ethernet has evolved from a use in local area networks to a technology that can be used in metro access as well as long-haul transport networks. Several mechanisms have been created to adapt the Ethernet control plane to the requirements of a Carrier-class network. The use of a link-state routing protocol rather than the traditional RSTP is one of the improvements employed by technologies such as Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL) and Shortest Path Bridging (SPB) to achieve better and more predictable reliability levels. These technologies use the IS-IS routing protocol, which has already been employed as a routing protocol in IP networks. Unfortunately even with these improvements, new Ethernet networks still cannot achieve the level of reliability of traditional TDM-derived Carrier-class networks. In order to improve Ethernet reliability and availability performance, we need to develop new, specifically adapted mechanisms. More specifically, the high convergence time of control protocols can cause problems in both traditional and new generation Ethernet networks. The goal of our research is to present a local recovery mechanism capable of using preconfigured alternative paths to improve the speed of recovery. We will also present an analysis of the recovery time of two control protocols used in Ethernet networks, namely RSTP and IS-IS. Our fast recovery mechanism is adapted to a Carrier-class Ethernet network controlled by a link-state protocol. Simulations are used to show the advantage of the use of this mechanism in comparison to the global recovery mechanism of link-state protocols

Convergencia de tecnologías ópticas y Ethernet en LAN, MAN y SAN: nuevas arquitecturas, análisis de prestaciones y eficiencia energética

Mención Internacional en el título de doctorThe development of Information Technologies in the last decades, especially the last two, together with the introduction of computing devices to the mainstream consumer market, has had the logical consequence of the generalisation of the Internet access. The explosive development of the smartphone market has brought ubiquity to that generalisation, to the point that social interaction, content sharing and content production happens all the time. Social networks have all but increased that trend, maximising the diffusion of multimedia content: images, audio and video, which require high network capacities to be enjoyed quickly. This need for endless bandwidth and speed in information sharing brings challenges that affect mainly optical Metropolitan Area Networks (MANs) and Wide Area Networks (WANs). Furthermore, the wide spreading of Ethernet technologies has also brought the possibility to achieve economies of scale by either extending the reach of Ethernet Local Area Networks (LANs) to the MAN and WAN environment or even integrating them with Storage Area Networks (SANs). Finally, this generalisation of telecommunication technologies in every day life has as a consequence an important rise in energy consumption as well. Because of this, providing energy efficient strategies in networking is key to ensure the scalability of the whole Internet. In this thesis, the main technologies in all the fields mentioned above are reviewed, its core challenges identified and several contributions beyond the state of the art are suggested to improve today’s MANs andWANs. In the first contribution of this thesism, the integration between Metro Ethernet and Wavelength Division Multiplexion (WDM) optical transparent rings is explored by proposing an adaptation architecture to provide efficient broadcast and multicast. The second contribution explores the fusion between transparent WDM and OCDMA architectures to simplify medium access in a ring. Regarding SANs, the third contribution explores the challenges in SANs through the problems of Fibre Channel over Ethernet due to buffer design issues. In this contribution, analysis, design and validation with FCoE traces and simulation is provided to calculate buffer overflow probabilities in the absence of flow control mechanisms taking into account the bursty nature of SAN traffic. Finally, the fourth and last contribution addresses the problems of energy efficiency in Plastic Optical Fibres (POF), a new kind of optical fibre more suitable for transmission in vehicles and for home networking. This contribution suggests two packet coalescing strategies to further improve the energy effiency mechanisms in POFs.El desarrollo de las Tecnologías de la Información en las últimas décadas, especialmente las últimas dos, junto con la introducción de dispositivos informáticos al mercado de masas, ha tenido como consecuencia lógica la generalización del acceso a Internet. El explosivo desarrollo del mercado de teléfonos inteligentes ha añadido un factor de ubicuidad a tal generalización, al extremo de que la interacción social, la compartición y producción de contenidos sucede a cada instante. Las redes sociales no han hecho sino incrementar tal tendencia, maximizando la difusión de contenido multimedia: imágenes, audio y vídeo, los cuales requieren gran capacidad en las redes para poder obtenerse con rapidez. Esta necesidad de ancho de banda ilimitado y velocidad en la compartición de información trae consigo retos que afectan principalmente a las Redes de Área Metropolitana (Metropolitan Area Networks, MANs) y Redes de Área Extensa (Wide Area Networks, WANs). Además, la gran difusión de las tecnologías Ethernet ha traído la posibilidad de alcanzar economías de escala bien extendiendo el alcance de Ethernet más allá de las Redes de Área Local (Local Area Networks, LANs) al entorno de las MAN y las WAN o incluso integrándolas con Redes de Almacenamiento (Storage Area Networks, SANs). Finalmente, esta generalización de las tecnologías de la comunicación en la vida cotidiana tiene también como consecuencia un importante aumento en el consumo de energía. Por tanto, desarrollar estrategias de transmisión en red eficientes energéticamente es clave para asegurar la escalabilidad de Internet. En esta tesis, las principales tecnologías de todos los campos mencionados arriba serán estudiadas, sus más importantes retos identificados y se sugieren varias contribuciones más allá del actual estado del arte para mejorar las actuales MANs y WANs. En la primera contribución de esta tesis, se explora la integración entre Metro Ethernet y anillos ópticos transparentes por Multiplexión en Longitud de Onda (Wavelength Division Multiplex, WDM) mediante la proposición de una arquitectura de adaptación para permitir la difusión y multidifusión eficiente. La segunda contribución explora la fusión entre las arquitecturas transparentes WDM y arquitecturas por Accesso Dividido Múltiple por Códigos Ópticos (OCDMA) para simplificar el acceso en una red en anillo. En lo referente a las SANs, la tercera contribución explora los retos en SANs a través de los problemas de Fibre Channel sobre Ethernet debido a los problemas en el diseño de búferes. En esta contribución, se provee un análisis, diseño y validación con trazas FCoE para calcular las probabilidades de desbordamiento de buffer en ausencia de mecanismos de control de flujo teniendo en cuenta la naturaleza rafagosa del tráfico de SAN. Finalmente, la cuarta y última contribución aborda los problemas de eficiencia energética en Fibras Ópticas Plásticas (POF), una nueva variedad de fibra óptica más adecuada para la transmisión en vehículos y para entornos de red caseros. Esta contribución sugiere dos estrategias de agrupamiento de paquetes para mejorar los mecanismos de eficiencia energética en POFs.Programa Oficial de Posgrado en Ingeniería TelemáticaPresidente: Luca Valcarenghi.- Secretario: Ignacio Soto Campos.- Vocal: Bas Huiszoo

Mobile radio alternative systems study satellite/terrestrial (hybrid) systems concepts

The use of satellites for mobile radio service in non-urban areas of the United States in the years from 1985 to 2000 was investigated. Several satellite concepts are considered: a system with single-beam coverage of the fifty United States and Puerto Rico, and multi-beam satellites with greater capacity. All of the needed functions and services identified in the market study are provided by the satellite systems, including nationwide radio access to vehicles without knowledge of vehicle location wideband data transmission from remote sites, two way exchange of short data and control messages between vehicles and dispatch or control centers, and automatic vehicle location (surveillance). The costs of providing the services are within acceptable limits, and the desired returns to the system investors are attractive. The criteria by which the Federal Communication judges the competing demands for public radio spectrum are reviewed with comments on how the criteria might apply to the consideration of land mobile satellites. Institutional arrangements for operating a mobile satellite system are based on the present institutional arrangements in which the services are offered to the end users through wireline and radio common carriers, with direct access by large private and government users

Exploring the Unknown: Selected Documents in the History of the US Civilian Space Program

One of the most important developments of the twentieth century has been the movement of humanity into space with machines and people. The underpinnings of that movement -why it took the shape it did; which individuals and organizations were involved; what factors drove a particular choice of scientific objectives and technologies to be used; and the political, economic, managerial, and international contexts in which the events of the space age unfolded- are all important ingredients of this epoch transition from an earthbound to spacefaring people. This desire to understand the development of spaceflight in the United States sparked this documentary history series. 'Exploring the Unknown' is a multi-volume series containing a selection of key documents in history of the U.S. civil space program. This current volume, Volume III, focusing on the use of space for practical applications, prints 112 key documents on the history of satellite communications, remote sensing of earth, and space as an investment in economic growth, edited for ease of use. Each is introduced by a headnote providing context, bibliographical information, and background information necessary to understanding the document