QoS aware multicast routing protocols evaluation through simulation

In networking research, the simulation is often the single way to overcome the lack of equipment needed for laboratory setup of complex experimental topologies, with diverse traffic pattern scenarios. Even for simpler topologies and traffic scenarios, the simulation remains attractive due to the available facilities on data collection, graphics generation and step by step analysis of different protocol machines. Inter-domain multicast scenarios, where heterogeneous QoS requirements should be considered, is a particular example where both complexity and resources availability justify the use of simulation. This paper reports the experience gained by the usage of simulation tools in multicast routing with QoS. It is not focused on the real simulation results reported but on the process used to obtain them. NS-2 has been used as the base of this work

QoS-VNS-CS: QoS constraints Core Selection Algorithm based on Variable Neighborhood Search Algorithm

Within the development of network multimedia technology, more and more real-time multimedia applications arrive with the need to transmit information using multicast communication. Multicast IP routing is an important topic, covering both theoretical and practical interest in different networks layers. In network layer, there are several multicast routing protocols using multicast routing trees different in the literature. However PIM-SM and CBT protocols remains the most used multicast routing protocols; they propose using a shared Core-based Tree CBT. This kind of tree provides efficient management of multicast path in changing group memberships, scalability and performance. The prime problem concerning construction of a shared tree is to determine the best position of the core. QoS-CS’s problem (QoS constraints core Selection) consists in choosing an optimal multicast router in the network as core of the Shared multicast Tree (CBT) within specified QoS constraints associated. The choice of this specific router, called RP in PIM-SM protocol and core in CBT protocol, affects the structure of multicast routing tree, and therefore influences performances of both multicast session and routing scheme. QoS-CS is an NP complete problem need to be solved through a heuristic algorithm, in this paper, we propose a new core Selection algorithm based on Variable Neighborhood Search algorithm and new CMP fitness function. Simulation results show that good performance is achieved in multicast cost, end-to-end delay, tree construction delay and others metrics

Advanced Free Viewpoint Video Streaming Techniques

Free-viewpoint video is a new type of interactive multimedia service allowing users to control their viewpoint and generate new views of a dynamic scene from any perspective. The uniquely generated and displayed views are composed from two or more high bitrate camera streams that must be delivered to the users depending on their continuously changing perspective. Due to significant network and computational resource requirements, we proposed scalable viewpoint generation and delivery schemes based on multicast forwarding and distributed approach. Our aim was to find the optimal deployment locations of the distributed viewpoint synthesis processes in the network topology by allowing network nodes to act as proxy servers with caching and viewpoint synthesis functionalities. Moreover, a predictive multicast group management scheme was introduced in order to provide all camera views that may be requested in the near future and prevent the viewpoint synthesizer algorithm from remaining without camera streams. The obtained results showed that even 42% traffic decrease can be realized using distributed viewpoint synthesis and the probability of viewpoint synthesis starvation can be also significantly reduced in future free viewpoint video services

Class-based multicast routing in interdomain scenarios

DiffServ-like domains bring new challenges to quality of service (QoS) multicast routing simply by shifting the focus from individual flows into classes of flows. Packets are marked at edge routers and receive differentiated treatment according to the class and not the flow that they belong to. DiffServ therefore became adverse to multicast, as packet replication inside the domain may require classification and remarking functions not present in core nodes. At the interdomain level, no doubt multicast QoS complexity is increased by the interleaving of DiffServ and non-Diffserv domains, making it more difficult to address QoS multicast in an end-to-end perspective. In today’s real interconnection world, classes of service have no meaning in certain links of a full interdomain path. While the problem is not new, as already pointed out, there are no real efforts to bring multicast back to a class-of-service domain without compromising its model of operation. In this article, we present an innovative multicast QoS routing strategy, clearly designed for the new class-of-service paradigm. The solution is based upon the construction of multiple trees, one per class of service available, while still allowing receivers to shift for source-specific trees in its own class of service. The strategy is presented in a full end-to-end perspective. Intradomain trees use differentiated routing paths thus helping traffic differentiation. Intradomain receivers are allowed to shift from shared trees into an adequate class-of-service source tree. At interdomain level, each class-of-service interdomain tree branch is accomplished by means of an improved path probing strategy enabling for QoS path establishment. This paper presents this new strategy, and associated protocols, for constructing several multicast and directed distribution trees, one per class of service, within each multicast group. This new strategy and associated protocols are then simulated using NS-2 platform. Simulation results are analyzed and compared with other multicast routing solutions, both at intra- and interdomain levels

Controlo do transporte de sessões multicast em redes dinâmicas

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesHoje em dia assiste-se a um aumento considerável da procura de serviços ou aplicações para múltiplos utilizadores (multiparty), como streaming de conteúdos media, partilha de informações, colaboração entre utilizadores, entre outros. O suporte de tais serviços pela Internet mostra-se extremamente exigente para as actuais arquitecturas de rede, requerendo recursos e funcionalidades completamente fora do alcance de serem suportadas. Desta forma, é necessário investigar e desenvolver novos mecanismos que possibilitem simultaneamente um melhor e maior controlo a este nível. Neste âmbito, tem-se observado actualmente um aumento no número de arquitecturas propostas, capazes de integrar as vantagens do protocolo IP multicast na entrega e transporte de conteúdos multimédia a grupos de utilizadores. Por outro lado, a inclusão de informação de contexto da rede, ambiente e utilizadores proporciona uma maior personalização e adaptação nas decisões de controlo necessárias à rede. É neste sentido que o projecto C-Cast abordado nesta tese se enquadra, procurando especificar uma arquitectura capaz de integrar uma quantidade abrangente de informação de contexto por forma a fornecer personalização nas sessões de entrega de conteúdos multimédia. Para a gestão dos recursos de rede é também proposto um mecanismo de transporte dos conteúdos baseado em IP multicast, juntamente com a possibilidade de adaptação dos caminhos escolhidos na rede de core baseada na informação de contexto da rede e do utilizador. A junção destes factores visa então possibilitar uma melhor gestão dos recursos disponibilizados pela rede. O principal objectivo desta Tese é então focado no desenvolvimento de um módulo inteligente, capaz de permitir o transporte multiparty e reserva de recursos, permitindo a entrega dos conteúdos de uma forma personalizada e independente das capacidades da rede e do utilizador, melhorando não só a qualidade de serviço, como também a qualidade de experiência. De forma a implementar a proposta apresentada, recorreu-se à criação de um novo componente organizado segundo uma arquitectura interna hierarquizada e centralizada, na qual um único módulo (IPT Controller) central comanda vários outros módulos (IPT Node) distribuídos ao longo de toda a rede. Após concluída a implementação, provou-se que o componente é capaz de criar e remover várias reservas de recursos por forma a permitir o transporte multiparty por caminhos específicos na rede. Este mecanismo é também capaz de modificar reservas previamente efectuadas, permitindo que as sessões multimédia sejam capazes de responder às modificações de contexto na rede, actualizando possíveis sessões já existentes com um mínimo de interrupção de serviço possível para utilizadores que não tenham sofrido alterações. Avaliando os resultados obtidos, pode-se também concluir que o impacto do IPT na rede é ligeiro e menor em relação ao dos restantes componentes, pelo que não é um factor decisivo no desempenho global da arquitectura.Today we are witnessing a considerable increase in the demand for services or applications for multiple users (multiparty), such as streaming media content, information sharing, collaboration among users, among others. The support of such services over the Internet proves to be extremely demanding for the existing network architectures, requiring features and functionality completely out of reach of the current networks. Thus, investigation and development of new mechanisms that enable a superior management at this level is necessary. In this context, it is possible to observe an increase in the number of architectures proposed, which are able of integrating the advantages of the IP multicast protocol in the transport and delivery of multimedia content to user groups. Moreover, the inclusion of context information from the network, environment and users, provides a greater customization and adaptation in the decisions necessary to control the network. It in this context that the C-CAST project discussed in this dissertation is included, which tries to specify an architecture capable of integrating a comprehensive amount of context information in order to be able to provide superior dynamic sessions to deliver multimedia content. For the management of the network resources, it is also proposed a mechanism for the transport of multimedia content based on IP multicast. The possibility of path adaptation in the core network based on context information of both users and network is also considered. Is it with the combination of these factors that this project seeks to enable an improved management of the network’s resources. The main objective of this dissertation is then focused on the latter point of the C-CAST project architecture. It proposed the development of an intelligent module capable of allowing multiparty transport and resource reservation, enabling the delivery of multimedia content in a personalized way, independent of network and users capabilities, improving not only the quality of service, as well as quality of experience. In order to implement the proposed solution, a new component was developed, organized according to a hierarchical and centralized architecture in which a single central unit (IPT Controller) is able to command several other modules (IPT Node) deployed throughout the network. It was verified that the developed component is capable of creating and removing the necessary enforcements on the network to enable the multiparty transport through specific data paths. It is also capable of modifying previous enforcements, allowing the multimedia sessions to adapt themselves to context changes avoiding as much as possible to disrupt the existing services to users that were not subjected to modifications. Evaluating the obtained results, it is possible to conclude that the overall impact of the IPT component in the network is reduced and considerably less than the one of the remaining components. Hence, the IPT does not have a direct impact on the overall architecture performance

Real-time transmission of scalable video over peer-to-peer networks

Dissertação de mest., Engenharia Elétrica e Eletrónica (Tecnologias da Informação e Telecomunicações), Instituto Superior de Engenharia, Univ. do Algarve, 2012Nos últimos anos temos assistido ao expressivo crescimento na procura de conteúdos de vídeo na Internet. Esse crescimento tem surgido associado ao aumento da diversidade dos terminais com capacidades para receber conteúdos de vídeo e ao aumento na procura de conteúdos em alta definição, colocando novos desafios de heterogeneidade e escalabilidade às redes que servem de suporte à distribuição desses conteúdos. O problema da escalabilidade tem sido resolvido tradicionalmente nas redes IPTV (Internet Protocol Television) recorrendo ao IP Multicast, suportado em redes e equipamentos administrados por operadores privados e que por isso têm mecanimos de controlo que reduzem os riscos associados ao mesmo. No entanto, na Internet, tais riscos levaram a que o IP Multicast não fosse adotado, o que por sua vez condiciona a distribuição em larga escala de vídeo. Neste sentido, os fornecedores de conteúdos vêm-se por isso obrigados a recorrer a soluções ditas de nível de aplicação ou também denominadas de soluções sobrepostas. Neste âmbito as soluções Peer-to-Peer são hoje extensivamente utilizadas como suporte à troca de ficheiros, o que poderia fazer delas uma possível solução à distribuição ponto-multiponto de vídeo. Em relação ao problema da heterogeneidade de terminais, a introdução recente de normas de compressão escalável de vídeo permitem ir ao encontro da variabilidade de equipamentos com diferentes definições e capacidades de processamento. Neste âmbito, a investigação efectuada nesta dissertação pretende combinar as soluções Peer-to-Peer mais importantes, com o vídeo escalável, no sentido de obter um sistema que, suportado na Internet, permita a distribuição ponto-multiponto de conteúdos com requisitos de tempo real para um número elevado de terminais com características heterogéneas

Avaliação de controlo de sessões multicast em redes com contexto

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesOs utilizadores pretendem aceder, cada vez mais, a serviços multimédia com requisitos mais exigentes e personalizados. As limitações impostas pelos ambientes existentes (internet, 3G) para fornecer estes serviços levam à procura de melhores soluções, nomeadamente uma gestão eficaz das sessões multiparty. Neste tipo de soluções é normalmente utilizado o multicast, já que este permite reduzir os recursos utilizados, diminuindo o número de pacotes na rede. Contudo, o multicast não está consistente ao nível dos cenários de mobilidade, fundamentais nas redes de próxima geração. Actualmente existe uma vasta gama de tecnologias de acesso sem fios como WiFi, GPRS, UMTS e WiMAX. No futuro estas tecnologias diferentes complementar-se-ão convergindo numa infra-estrutura heterogénea capaz de fornecer um melhor serviço aos utilizadores, denominadas de redes 4G. A evolução dos terminais móveis também permitirá que estes se liguem simultaneamente a várias redes de acesso. Para uma melhor distribuição dos serviços dos utilizadores pelas redes de acesso disponíveis são necessários novos mecanismos de selecção. Uma nova selecção da rede baseada em informação de contexto (entidades e ambiente) tem tido grande relevo na comunidade científica. Assim, aplicações e rede reagem a alterações de contexto para uma melhor selecção da mesma. A dissertação apresentada encontra-se no âmbito do transporte multiparty com informação de contexto e reserva de recursos, permitindo a entrega do conteúdo de uma forma personalizada e com Qualidade de Serviço a vários utilizadores móveis, independentemente da tecnologia de acesso de cada um e da própria tecnologia da rede. Em suma, é utilizada uma arquitectura de rede baseada em informação de contexto e que reage eficazmente a alterações do mesmo. De forma a implementar a proposta apresentada recorreu-se à criação de várias entidades no simulador de redes NS-2. Os resultados foram obtidos usando diferentes cenários, avaliando a influência de cada parâmetro individualmente. Demonstrou-se que a arquitectura implementada permite suportar uma entrega dos conteúdos de uma maneira personalizada e independente da tecnologia utilizada. Obteve-se ainda uma boa gestão dos recursos da rede e uma melhoria na experiência percepcionada pelo utilizador através da selecção total da rede com base numa entidade de controlo central. A introdução do overlay de transporte multiparty melhora o comportamento geral da rede, minimizando as reconfigurações frequentes necessárias.Nowadays, more and more users want to access multimedia services with strong and personalized requirements. The limitations intrinsic to current environments (Internet and 3G) to provide this type of services motivate the research for an efficient management of multiparty sessions. The solution can also be based on multicast implementation, since it reduces resources utilization, decreasing the number of packets in the network. However, current multicast is not a strong solution in mobility scenarios, essential in next generation networks. Currently there is a wide range of wireless access technologies such as WiFi, GPRS, UMTS and WiMAX. In the future, these different technologies will converge in a complementary manner forming a heterogeneous infrastructure able to offer a better service to its users, usually named 4G. The evolution of mobile terminals will also allow them to connect simultaneously to several access networks. In order to a better distribution of the users services throughout available access networks, new selection mechanisms are required. A new network selection based on context information (entities and environments) is having a relevant role in scientific community. So, applications and networks react according to context changes, improving network selection. This Thesis is in the scope of context-aware multiparty transport with resources allocation, allowing the delivery of content in a personalized way with Quality of Service to several users, independently of the technology and the network. Resuming, the solution implements a context-aware network architecture that reacts efficiently to its changes. In order to implement this architecture, new entities were created in the network simulator NS-2. The results were obtained using different scenarios, evaluating the influence of each parameter independently. It was demonstrated that the integration of several components, allows a delivery of contents in a personalized manner and independently of the technology. The results showed a better management of the network resources and users experience, throughout the total network selection, based on a central control unit. The multiparty transport overlay improves the network behaviour, minimizing the necessary frequent reconfigurations

Sobre-reserva em redes com controlo centralizado e distribuído

Mestrado em Engenharia ElectrónicaAs redes de futura geração são esperadas vir a suportar novas funcionalidades (escalonamento, qualidade de serviço, muticast) sobre tecnologias de transporte heterogéneas, com suporte para muitos utilizadores simultaneamente e a um custo razoável. Neste sentido, esforços de investigação recentes afirmam que o uso de mecanismos de sobre-reserva em redes com classes de serviço é promissor, pois permite a optimização do desempenho global da rede, uma vez que possibilita tratar agregados de fluxos simultaneamente. No entanto, as propostas existentes enfrentam vários problemas de eficiência, onde existe desperdício de largura de banda e, portanto, o aumento desnecessário da probabilidade de bloqueio da sessão. Por outro lado, a crescente utilização da Internet, faz com que mecanismos centralizados fiquem sobrecarregados, ocorrendo cada vez mais falhas. Embora os mecanismos centralizados possam ser mais fáceis de gerir, deixam muito a desejar em comparação com sistemas distribuídos. A descentralização permite a execução simultânea de operações em entidades diferentes através de uma rede, conseguindo um melhor desempenho. No entanto, exige a sincronização de informações de controlo para evitar decisões erradas e incompatíveis. Esta dissertação implementa e testa uma plataforma que usa mecanismos de sobre-reserva de recursos dinamicamente (COR, A-COR), que permitem gerir agregados de fluxos assegurando requisitos de qualidade de serviço, tanto num cenário de controlo centralizado como distribuído, e suporte para multicast e balanceamento de carga. Particularmente, estes mecanismos levam em consideração a partilha de interfaces pelos diversos caminhos da rede, melhorando a distribuição de recursos disponíveis pelas diversas classes. Mais importante, tudo é feito de forma dinâmica e apenas quando necessário para cada interface na rede, melhorando a prestação global do serviço. Self- Organization of Multiple Edge Nodes (SOMEN) opera de uma forma distribuída permitindo que pontos chave na rede (CDP) operem em conjunto para controlar os recursos da rede mantendo um nível baixo de mensagens e processamento. Os resultados obtidos por simulação demonstram que sobre-reserva de recursos pode prevenir a violação dos requisitos de qualidade de serviço enquanto minimiza significativamente a probabilidade de bloqueio da sessão. Demonstram também que a distribuição do controlo da rede é escalável para redes futuras, mantendo baixos níveis de mensagens de sincronização.Future Networks are expected to support new features and capabilities (scalability, Quality of Service (QoS), multicast) in order to provide support for value added sessions (e.g. multimedia, personalized, haptics, etc.) over heterogeneous transport technologies to many users simultaneously, and at reasonable cost. Hence, recent research efforts claim that class-based network resource over-provisioning is promising, since it allows minimizing undesired QoS control states, processing and signaling overheads to improve system overall performance. However, existing proposals mostly waste bandwidth and therefore increase session blocking probability unnecessarily while incurring QoS violation. Besides, the increasing dependence on IT technologies is making central controllers more and more bottlenecked while the network infrastructures are subject to frequent failures. As an alternative, decentralization allows simultaneous operations at distributed entities throughout a network, achieving better performance. Nevertheless, it must be correctly designed to assure a cost-effective synchronization of the distributed decision points to prevent wrong and incompatible decisions. Keeping this in mind, this dissertation implements and provides a platform to assess new mechanisms for dynamic aggregate QoS overreservations in both centralized and decentralized architectures with support for multicasting and load balance. In particular, the mechanisms improve the control of aggregated resources by taking communication paths correlation patterns and sessions requests into account and efficiently distribute the shared surplus of reservations among existing Classes of Service (CoSs). More importantly, this is performed in a dynamic manner for every outgoing interface inside a network upon need, in a way that effectively allows system overall performance optimization. Moreover, a decentralization control approach, assuring an efficient Self-Organization of Multiple Edge Nodes (SOMEN) has also been evaluated. Hence, multiple distributed network Control Decision Points (CDPs) are enabled to cooperate and self-manage keeping low control signaling, states and processing load. The simulation results prove that efficient bandwidth over-reservation can effectively prevent QoS violation while significantly minimizing the waste of bandwidth and the unnecessary increase of session blocking probability. Further, they show a cost-effective decentralization of the control in current and future networks with low synchronization signaling loads