Generalized load sharing for packet-switching networks

In this paper, we propose a framework to study how to effectively perform load sharing in multipath communication networks. A generalized load sharing (GLS) model has been developed to conceptualize how traffic is split ideally on a set of active paths. A simple traffic splitting algorithm, called weighted fair routing (WFR), has been developed at two different granularity level, namely, the packet level, and the call level, to approximate GLS with the given routing weight vector. The packet-by-packet WFR (PWFR) mimics GLS by transmitting each packet as a whole, whereas the call-by-call WFR (CWFR) imitates GLS so that all packets belonging to a single flow are sent on the same path. We have developed some performance bounds for PWFR and found that PWFR is a deterministically fair traffic splitting algorithm. This attractive property is useful in the provision of service with guaranteed performance when multiple paths can be used simultaneously to transmit packets which belong to the same flow. Our simulation studies, based on a collection of Internet backbone traces, reveal that WFR outperforms two other traffic splitting algorithms, namely, generalized round robin routing (GRR), and probabilistic routing (PRR). These promising results form a basis for designing future adaptive constraint-based multipath routing protocols.published_or_final_versio

On the Issues and Challenges of Fiber-Wireless (Fi-Wi) Networks

The objective of this article is to present various aspects of Fiber-Wireless (Fi-Wi) networks, which is a technology of current interest of the researchers. Fiber-wireless technology, known in short as “Fi-Wi,” is a combination of optical-fiber-based network and wireless network. Fi-Wi has recently come forward as one of the emerging future network technologies yet the term is often mixed up with wireless-fidelity (Wi-Fi) technology. In fact, Wi-Fi network could be included in a Fi-Wi architecture. Due to the unfamiliarity with the term, “Fi-Wi” and similar sounding commonly known “Wi-Fi,” many students, even academics and practitioners sometimes may not be able to differentiate between these. In the recent years, a good number of works on various issues of Fi-Wi have come out, but an overall survey with the latest advancements in the area is yet to be found. Hence, in this work, we analyze various issues and challenges of implementing Fi-Wi networks in practical scenarios to allow researchers to find future directions of research and general readers to understand the issues better

Analysis of an Adaptive Modulation and Coding scheme with HARQ for TCP traffic

In this paper, we analyze the aggregate TCP throughput performance of a wireless link utilizing Active Queue Management (AQM) and an Adaptive Modulation and Coding (AMC) scheme with Hybrid ARQ (HARQ) based on the probability of failure in the first transmission attempt. We assume packets arriving out-of-order at the wireless receiver due to random retransmissions are resequenced before being released to the network. For this reason, an approximate model for the delay experienced at the resequencing buffer is also presented. In the light of the results obtained from the presented analysis, we propose a threshold for the aforementioned probability of failure making the investigated AMC scheme work at an overall performance close to that of the optimum policy. © 2015 IEEE

MP-CFM: MPTCP-Based communication functional module for next generation ERTMS

184 p. El contenido de los capítulos 4,5,6,7,8 y 9 está sujeto a confidencialidadEl Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario (ERTMS, por sus siglasen inglés), fue originalmente diseñado para los ferrocarriles europeos. Sinembargo, a lo largo de las dos últimas décadas, este sistema se ha convertidoen el estándar de-facto para los servicios de Alta Velocidad en la mayoría depaíses desarrollados.El sistema ERTMS se compone de tres subsistemas principales: 1) el Sistemade Control Ferroviario Europeo (ETCS, por sus siglas en inglés), que actúacomo aplicación de señalización; 2) el sistema Euroradio, que a su vez estádividido en dos subsistemas, el Módulo de Seguridad Funcional (SFM, porsus siglas en inglés), y el Módulo de Comunicación Funcional (CFM, porsus siglas en inglés); y 3) el sistema de comunicaciones subyacente, GSM-R,que transporta la información intercambiada entre el sistema embarcado enel tren (OBU, por sus siglas en inglés) y el Centro de Bloqueo por Radio(RBC, por sus siglas en inglés). El sistema de señalización ETCS soporta tresniveles dependiendo del nivel de prestaciones soportadas. En el nivel 3 seintroduce la posibilidad de trabajar con bloques móviles en lugar de bloquesfijos definidos en la vía. Esto implica que la distancia de avance entre dos trenesconsecutivos puede ser reducida a una distancia mínima en la que se garanticela seguridad del servicio, aumentando por tanto la capacidad del corredorferroviario. Esta distancia de seguridad viene determinada por la combinaciónde la distancia de frenado del tren y el retraso de las comunicaciones deseñalización. Por lo tanto, se puede afirmar que existe una relación directaentre los retrasos y la confiabilidad de las transmisiones de las aplicaciones deseñalización y la capacidad operacional de un corredor ferroviario. Así pues,el estudio y mejora de los sistemas de comunicaciones utilizados en ERTMSjuegan un papel clave en la evolución del sistema ERTMS. Asimismo, unaoperatividad segura en ERTMS, desde el punto de vista de las comunicacionesimplicadas en la misma, viene determinada por la confiabilidad de lascomunicaciones, la disponibilidad de sus canales de comunicación, el retrasode las comunicaciones y la seguridad de sus mensajes.Unido este hecho, la industria ferroviaria ha venido trabajando en ladigitalización y la transición al protocolo IP de la mayor parte de los sistemasde señalización. Alineado con esta tendencia, el consorcio industrial UNISIGha publicado recientemente un nuevo modelo de comunicaciones para ERTMSque incluye la posibilidad, no solo de operar con el sistema tradicional,basado en tecnología de conmutación de circuitos, sino también con un nuevosistema basado en IP. Esta tesis está alineada con el contexto de migraciónactual y pretende contribuir a mejorar la disponibilidad, confiabilidad yseguridad de las comunicaciones, tomando como eje fundamental los tiemposde transmisión de los mensajes, con el horizonte puesto en la definición deuna próxima generación de ERTMS, definida en esta tesis como NGERTMS.En este contexto, se han detectado tres retos principales para reforzar laresiliencia de la arquitectura de comunicaciones del NGERTMS: 1) mejorarla supervivencia de las comunicaciones ante disrupciones; 2) superar laslimitaciones actuales de ERTMS para enviar mensajes de alta prioridad sobretecnología de conmutación de paquetes, dotando a estos mensajes de un mayorgrado de resiliencia y menor latencia respecto a los mensajes ordinarios; y3) el aumento de la seguridad de las comunicaciones y el incremento de ladisponibilidad sin que esto conlleve un incremento en la latencia.Considerando los desafíos previamente descritos, en esta tesis se proponeuna arquitectura de comunicaciones basada en el protocolo MPTCP, llamadaMP-CFM, que permite superar dichos desafíos, a la par que mantener laretrocompatibilidad con el sistema de comunicaciones basado en conmutaciónde paquetes recientemente propuesto por UNISIG. Hasta el momento, esta esla primera vez que se propone una arquitectura de comunicaciones completacapaz de abordar los desafíos mencionados anteriormente. Esta arquitecturaimplementa cuatro tipos de clase de servicio, los cuales son utilizados porlos paquetes ordinarios y de alta prioridad para dos escenarios distintos; unescenario en el que ambos extremos, el sistema embarcado o OBU y el RBC,disponen de múltiples interfaces de red; y otro escenario transicional en el cualel RBC sí tiene múltiples interfaces de red pero el OBU solo dispone de unaúnica interfaz. La arquitectura de comunicaciones propuesta para el entornoferroviario ha sido validada mediante un entorno de simulación desarrolladopara tal efecto. Es más, dichas simulaciones demuestran que la arquitecturapropuesta, ante disrupciones de canal, supera con creces en términos derobustez el sistema diseñado por UNISIG. Como conclusión, se puede afirmarque en esta tesis se demuestra que una arquitectura de comunicaciones basadade MPTCP cumple con los exigentes requisitos establecidos para el NGERTMSy por tanto dicha propuesta supone un avance en la evolución del sistema deseñalización ferroviario europeo

Accuracy and Dynamics of Hash-Based Load Balancing Algorithms for Multipath Internet Routing

This paper studies load balancing for multipath Internet routing. We focus on hash-based load balancing algorithms that work on the flow level to avoid packet reordering which is detrimental for the throughput of transport layer protocols like TCP. We propose a classification of hash-based load balancing algorithms, review existing ones and suggest new ones. Dynamic algorithms can actively react to load imbalances which causes route changes for some flows and thereby again packet reordering. Therefore, we investigate the load balancing accuracy and flow reassignment rate of load balancing algorithms. Our exhaustive simulation experiments show that these performance measures depend significantly on the traffic properties and on the algorithms themselves. As a consequence, our results should be taken into account for the application of load balancing in practice

On the role of feedback in network coding

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2009.This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.Cataloged from student submitted PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 143-149).Network coding has emerged as a new approach to operating communication networks, with a promise of improved efficiency in the form of higher throughput, especially in lossy conditions. In order to realize this promise in practice, the interfacing of network coding with existing network protocols must be understood well. Most current protocols make use of feedback in the form of acknowledgments (ACKs) for reliability, rate control and/or delay control. In this work, we propose a way to incorporate network coding within such a feedback-based framework, and study the various benefits of using feedback in a network coded system. More specifically, we propose a mechanism that provides a clean interface between network coding and TCP with only minor changes to the protocol stack, thereby allowing incremental deployment. In our scheme, the source transmits random linear combinations of packets currently in the TCP congestion window. At the heart of our scheme is a new interpretation of ACKs - the receiver acknowledges every degree of freedom (i.e., a linear combination that reveals one unit of new information) even if it does not reveal an original packet immediately. Such ACKs enable a TCP-compatible sliding-window implementation of network coding. Thus, with feedback, network coding can be performed in a completely online manner, without the need for batches or generations. Our scheme has the nice feature that packet losses on the link can be essentially masked from the congestion control algorithm by adding enough redundancy in the encoding process.(cont.) This results in a novel and effective approach for congestion control over networks involving lossy links such as wireless links. Our scheme also allows intermediate nodes to perform re-encoding of the data packets. This in turn leads to a natural way of running TCP flows over networks that use multipath opportunistic routing along with network coding. We use the new type of ACKs to develop queue management algorithms for coded networks, which allow the queue size at nodes to track the true backlog in information with respect to the destination. We also propose feedback-based adaptive coding techniques that are aimed at reducing the decoding delay at the receivers. Different notions of decoding delay are considered, including an order-sensitive notion which assumes that packets are useful only when delivered in order. We study the asymptotic behavior of the expected queue size and delay, in the limit of heavy traffic.by Jay Kumar Sundararajan.Ph.D