Analysis domain model for shared virtual environments

The field of shared virtual environments, which also encompasses online games and social 3D environments, has a system landscape consisting of multiple solutions that share great functional overlap. However, there is little system interoperability between the different solutions. A shared virtual environment has an associated problem domain that is highly complex raising difficult challenges to the development process, starting with the architectural design of the underlying system. This paper has two main contributions. The first contribution is a broad domain analysis of shared virtual environments, which enables developers to have a better understanding of the whole rather than the part(s). The second contribution is a reference domain model for discussing and describing solutions - the Analysis Domain Model

Content Replication and Placement Schemes for Wireless Mesh Networks

Recently, Wireless Mesh Networks (WMNs) have attracted much of interest from both academia and industry, due to their potential to provide an alternative broadband wireless Internet connectivity. However, due to different reasons such as multi-hop forwarding and the dynamic wireless link characteristics, the performance of current WMNs is rather low when clients are soliciting Web contents. Due to the evolution of advanced mobile computing devices; it is anticipated that the demand for bandwidth-onerous popular content (especially multimedia content) in WMNs will dramatically increase in the coming future. Content replication is a popular approach for outsourcing content on behalf of the origin content provider. This area has been well explored in the context of the wired Internet, but has received comparatively less attention from the research community when it comes to WMNs. There are a number of replica placement algorithms that are specifically designed for the Internet. But they do not consider the special features of wireless networks such as insufficient bandwidth, low server capacity, contention to access the wireless medium, etc. This thesis studies the technical challenges encountered when transforming the traditional model of multi-hop WMNs from an access network into a content network. We advance the thesis that support from packet relaying mesh routers to act as replica servers for popular content such as media streaming, results in significant performance improvement. Such support from infrastructure mesh routers benefits from knowledge of the underlying network topology (i.e., information about the physical connections between network nodes is available at mesh routers). The utilization of cross-layer information from lower layers opens the door to developing efficient replication schemes that account for the specific features of WMNs (e.g., contention between the nodes to access the wireless medium and traffic interference). Moreover, this can benefit from the underutilized resources (e.g., storage and bandwidth) at mesh routers. This utilization enables those infrastructure nodes to participate in content distribution and play the role of replica servers. In this thesis, our main contribution is the design of two lightweight, distributed, and scalable object replication schemes for WMNs. The first scheme follows a hierarchical approach, while the second scheme follows a flat one. The challenge is to replicate content as close as possible to the requesting clients and thus, reduce the access latency per object, while minimizing the number of replicas. The two schemes aim to address the questions of where and how many replicas should be placed in the WMN. In our schemes, we consider the underlying topology joint with link-quality metrics to improve the quality of experience. We show using simulation tests that the schemes significantly enhance the performance of a WMN in terms of reducing the access cost, bandwidth consumption and computation/communication cost

Reducing Internet Latency : A Survey of Techniques and their Merit

Bob Briscoe, Anna Brunstrom, Andreas Petlund, David Hayes, David Ros, Ing-Jyh Tsang, Stein Gjessing, Gorry Fairhurst, Carsten Griwodz, Michael WelzlPeer reviewedPreprin

Resource management in cable access networks

Een kabelnetwerk is tegenwoordig niet meer alleen een medium waarover analoge TV-signalen vanuit een centraal punt, kopstation genaamd, naar de aangesloten huizen worden gestuurd. Sinds enkele jaren is het mogelijk om thuis data digitaal te versturen en te ontvangen. Deze data gaat via een kabelmodem thuis en het kopstation, dat in verbinding staat met andere netwerken. Op deze wijze zijn kabelnetwerken onderdeel geworden van het wereldwijde Internet en kunnen computers thuis hier mee verbonden worden. Door aan zo’n kopstation een digitaal videosysteem met duizenden films te koppelen, ontstaat er de mogelijkheid een video-op-verzoek dienst aan te bieden: Via de computer of zelfs de TV thuis kunnen films worden besteld en direct bekeken, of worden opgeslagen in de computer. Om dit te bewerkstelligen is meer nodig dan alleen een netwerk: Voor de transmissie van video data dient er zorg voor te worden gedragen dat deze zonder hinderende interrupties kan geschieden, omdat dergelijke gebeurtenissen door de gebruiker direct te zien zijn in de vorm van een stilstaand of zwart beeld. Verder is ook de reactiesnelheid van het systeem van belang voor het ondersteunen van operaties door de gebruiker, zoals het bestellen van een film, maar ook het vooruit- of terugspoelen, pauzeren, enzovoorts. Binnen deze context beschrijven en analyseren we in dit proefschrift zes problemen. Vier daarvan houden verband met de transmissie van data over het kabelnetwerk en de overige twee houden verband met het opslaan van video data op een harde schijf. In twee van de vier problemen uit de eerste categorie analyseren we de vertraging die data ondervindt wanneer die vanuit een modem wordt gestuurd naar het kopstation. Deze vertraging bepaalt met name de reactiesnelheid van het systeem. Karakteristiek voor dataverkeer in deze richting is dat pakketten van verschillende modems tegelijkertijd mogen worden verstuurd en daardoor verloren gaan. Met name de vereiste hertransmissies zorgen voor vertraging. Meer concreet beschouwen we een variant op het bekende ALOHA protocol, waarbij we uitgaan van een kanaalmodel dat afwijkt van het conventionele model. Het afwijkende model is van toepassing wanneer een modem een eerste contact probeert te leggen met het kopstation na te zijn opgestart. Met name na een stroomuitval, wanneer een groot aantal modems tegelijkertijd opnieuw opstart, kunnen de vertragingen aanzienlijk zijn. Daarnaast beschouwen we modems tijdens normale operatie en analyseren wij de verbetering in vertraging wanneer pakketten die vanuit ´e´en modem moeten worden verstuurd, worden verpakt in een groter pakket. In beide studies worden wiskundige resultaten vergeleken met simulaties die re¨ele situaties nabootsen. In de andere twee van de vier problemen richten wij ons op de transmissie van video data in de andere richting, namelijk van het kopstation naar de modems. Hierbij spelen stringente tijdsrestricties een voorname rol, zoals hierboven reeds is beschreven. Meer specifiek presenteren we een planningsalgoritme dat pakketten voor een aantal gebruikers op een kanaal zodanig na elkaar verstuurt dat de variatie in de vertraging die de verschillende pakketten ondervinden, minimaal is. Op deze wijze wordt zo goed mogelijk een continue stroom van data gerealiseerd die van belang is voor het probleemloos kunnen bekijken van een film. Daarnaast analyseren we een bestaand algoritme om een film via een aantal kanalen periodiek naar de aangesloten huizen te versturen. In dit geval ligt de nadruk op de wachttijd die een gebruiker ondervindt na het bestellen van een film. In deze analyse onderbouwen we een in het algoritme gebruikte heuristiek en brengen hierin verdere verbeteringen aan. Daarnaast bewijzen we dat het algoritme asymptotisch optimaal is, iets dat reeds langer werd aangenomen, maar nooit rigoreus bewezen was. Bij de laatste twee problemen, die verband houden met het opslaan van video data op een harde schijf, analyseren we hoe deze data zodanig kan worden opgeslagen dat die er nadien efficient van kan worden teruggelezen. In het ene probleem beschouwen we een bestaand planningsalgoritme om pakketten van verschillende videostromen naar een harde schijf te schrijven en passen dit aan om ervoor te zorgen dat het teruglezen van de stroom met bijvoorbeeld een andere pakketgrootte mogelijk wordt zonder daarbij de schijf onnodig te belasten. In het andere probleem analyseren we hoe we effectief gebruik kunnen maken van het gegeven dat data aan de buitenkant van de schijf sneller gelezen kan worden dan aan de binnenkant. We bewijzen dat het probleem van het zo efficient mogelijk opslaan van een gegeven aantal video files NPlastig is en presenteren een eenvoudige heuristiek die, hoewel voor bijzondere instanties een bewijsbaar slechte prestatie levert, in de praktijk in het algemeen goede prestaties levert. Hierbij maken we met name gebruik van het verschil in populariteit van de verschillende films

Solutions for large scale, efficient, and secure Internet of Things

The design of a general architecture for the Internet of Things (IoT) is a complex task, due to the heterogeneity of devices, communication technologies, and applications that are part of such systems. Therefore, there are significant opportunities to improve the state of the art, whether to better the performance of the system, or to solve actual issues in current systems. This thesis focuses, in particular, on three aspects of the IoT. First, issues of cyber-physical systems are analysed. In these systems, IoT technologies are widely used to monitor, control, and act on physical entities. One of the most important issue in these scenarios are related to the communication layer, which must be characterized by high reliability, low latency, and high energy efficiency. Some solutions for the channel access scheme of such systems are proposed, each tailored to different specific scenarios. These solutions, which exploit the capabilities of state of the art radio transceivers, prove effective in improving the performance of the considered systems. Positioning services for cyber-physical systems are also investigated, in order to improve the accuracy of such services. Next, the focus moves to network and service optimization for traffic intensive applications, such as video streaming. This type of traffic is common amongst non-constrained devices, like smartphones and augmented/virtual reality headsets, which form an integral part of the IoT ecosystem. The proposed solutions are able to increase the video Quality of Experience while wasting less bandwidth than state of the art strategies. Finally, the security of IoT systems is investigated. While often overlooked, this aspect is fundamental to enable the ubiquitous deployment of IoT. Therefore, security issues of commonly used IoT protocols are presented, together with a proposal for an authentication mechanism based on physical channel features. This authentication strategy proved to be effective as a standalone mechanism or as an additional security layer to improve the security level of legacy systems

The Bits of Silence : Redundant Traffic in VoIP

Human conversation is characterized by brief pauses and so-called turn-taking behavior between the speakers. In the context of VoIP, this means that there are frequent periods where the microphone captures only background noise – or even silence whenever the microphone is muted. The bits transmitted from such silence periods introduce overhead in terms of data usage, energy consumption, and network infrastructure costs. In this paper, we contribute by shedding light on these costs for VoIP applications. We systematically measure the performance of six popular mobile VoIP applications with controlled human conversation and acoustic setup. Our analysis demonstrates that significant savings can indeed be achievable - with the best performing silence suppression technique being effective on 75% of silent pauses in the conversation in a quiet place. This results in 2-5 times data savings, and 50-90% lower energy consumption compared to the next better alternative. Even then, the effectiveness of silence suppression can be sensitive to the amount of background noise, underlying speech codec, and the device being used. The codec characteristics and performance do not depend on the network type. However, silence suppression makes VoIP traffic network friendly as much as VoLTE traffic. Our results provide new insights into VoIP performance and offer a motivation for further enhancements, such as performance-aware codec selection, that can significantly benefit a wide variety of voice assisted applications, as such intelligent home assistants and other speech codec enabled IoT devices.Peer reviewe

Metadata And Data Management In High Performance File And Storage Systems

With the advent of emerging e-Science applications, today\u27s scientific research increasingly relies on petascale-and-beyond computing over large data sets of the same magnitude. While the computational power of supercomputers has recently entered the era of petascale, the performance of their storage system is far lagged behind by many orders of magnitude. This places an imperative demand on revolutionizing their underlying I/O systems, on which the management of both metadata and data is deemed to have significant performance implications. Prefetching/caching and data locality awareness optimizations, as conventional and effective management techniques for metadata and data I/O performance enhancement, still play their crucial roles in current parallel and distributed file systems. In this study, we examine the limitations of existing prefetching/caching techniques and explore the untapped potentials of data locality optimization techniques in the new era of petascale computing. For metadata I/O access, we propose a novel weighted-graph-based prefetching technique, built on both direct and indirect successor relationship, to reap performance benefit from prefetching specifically for clustered metadata serversan arrangement envisioned necessary for petabyte scale distributed storage systems. For data I/O access, we design and implement Segment-structured On-disk data Grouping and Prefetching (SOGP), a combined prefetching and data placement technique to boost the local data read performance for parallel file systems, especially for those applications with partially overlapped access patterns. One high-performance local I/O software package in SOGP work for Parallel Virtual File System in the number of about 2000 C lines was released to Argonne National Laboratory in 2007 for potential integration into the production mode