Future Trends and Challenges for Mobile and Convergent Networks

Some traffic characteristics like real-time, location-based, and community-inspired, as well as the exponential increase on the data traffic in mobile networks, are challenging the academia and standardization communities to manage these networks in completely novel and intelligent ways, otherwise, current network infrastructures can not offer a connection service with an acceptable quality for both emergent traffic demand and application requisites. In this way, a very relevant research problem that needs to be addressed is how a heterogeneous wireless access infrastructure should be controlled to offer a network access with a proper level of quality for diverse flows ending at multi-mode devices in mobile scenarios. The current chapter reviews recent research and standardization work developed under the most used wireless access technologies and mobile access proposals. It comprehensively outlines the impact on the deployment of those technologies in future networking environments, not only on the network performance but also in how the most important requirements of several relevant players, such as, content providers, network operators, and users/terminals can be addressed. Finally, the chapter concludes referring the most notable aspects in how the environment of future networks are expected to evolve like technology convergence, service convergence, terminal convergence, market convergence, environmental awareness, energy-efficiency, self-organized and intelligent infrastructure, as well as the most important functional requisites to be addressed through that infrastructure such as flow mobility, data offloading, load balancing and vertical multihoming.Comment: In book 4G & Beyond: The Convergence of Networks, Devices and Services, Nova Science Publishers, 201

Datacenter Traffic Control: Understanding Techniques and Trade-offs

Datacenters provide cost-effective and flexible access to scalable compute and storage resources necessary for today's cloud computing needs. A typical datacenter is made up of thousands of servers connected with a large network and usually managed by one operator. To provide quality access to the variety of applications and services hosted on datacenters and maximize performance, it deems necessary to use datacenter networks effectively and efficiently. Datacenter traffic is often a mix of several classes with different priorities and requirements. This includes user-generated interactive traffic, traffic with deadlines, and long-running traffic. To this end, custom transport protocols and traffic management techniques have been developed to improve datacenter network performance. In this tutorial paper, we review the general architecture of datacenter networks, various topologies proposed for them, their traffic properties, general traffic control challenges in datacenters and general traffic control objectives. The purpose of this paper is to bring out the important characteristics of traffic control in datacenters and not to survey all existing solutions (as it is virtually impossible due to massive body of existing research). We hope to provide readers with a wide range of options and factors while considering a variety of traffic control mechanisms. We discuss various characteristics of datacenter traffic control including management schemes, transmission control, traffic shaping, prioritization, load balancing, multipathing, and traffic scheduling. Next, we point to several open challenges as well as new and interesting networking paradigms. At the end of this paper, we briefly review inter-datacenter networks that connect geographically dispersed datacenters which have been receiving increasing attention recently and pose interesting and novel research problems.Comment: Accepted for Publication in IEEE Communications Surveys and Tutorial

Hybrid SDN Evolution: A Comprehensive Survey of the State-of-the-Art

Software-Defined Networking (SDN) is an evolutionary networking paradigm which has been adopted by large network and cloud providers, among which are Tech Giants. However, embracing a new and futuristic paradigm as an alternative to well-established and mature legacy networking paradigm requires a lot of time along with considerable financial resources and technical expertise. Consequently, many enterprises can not afford it. A compromise solution then is a hybrid networking environment (a.k.a. Hybrid SDN (hSDN)) in which SDN functionalities are leveraged while existing traditional network infrastructures are acknowledged. Recently, hSDN has been seen as a viable networking solution for a diverse range of businesses and organizations. Accordingly, the body of literature on hSDN research has improved remarkably. On this account, we present this paper as a comprehensive state-of-the-art survey which expands upon hSDN from many different perspectives

Multimedia delivery in the future internet

The term “Networked Media” implies that all kinds of media including text, image, 3D graphics, audio and video are produced, distributed, shared, managed and consumed on-line through various networks, like the Internet, Fiber, WiFi, WiMAX, GPRS, 3G and so on, in a convergent manner [1]. This white paper is the contribution of the Media Delivery Platform (MDP) cluster and aims to cover the Networked challenges of the Networked Media in the transition to the Future of the Internet. Internet has evolved and changed the way we work and live. End users of the Internet have been confronted with a bewildering range of media, services and applications and of technological innovations concerning media formats, wireless networks, terminal types and capabilities. And there is little evidence that the pace of this innovation is slowing. Today, over one billion of users access the Internet on regular basis, more than 100 million users have downloaded at least one (multi)media file and over 47 millions of them do so regularly, searching in more than 160 Exabytes1 of content. In the near future these numbers are expected to exponentially rise. It is expected that the Internet content will be increased by at least a factor of 6, rising to more than 990 Exabytes before 2012, fuelled mainly by the users themselves. Moreover, it is envisaged that in a near- to mid-term future, the Internet will provide the means to share and distribute (new) multimedia content and services with superior quality and striking flexibility, in a trusted and personalized way, improving citizens’ quality of life, working conditions, edutainment and safety. In this evolving environment, new transport protocols, new multimedia encoding schemes, cross-layer inthe network adaptation, machine-to-machine communication (including RFIDs), rich 3D content as well as community networks and the use of peer-to-peer (P2P) overlays are expected to generate new models of interaction and cooperation, and be able to support enhanced perceived quality-of-experience (PQoE) and innovative applications “on the move”, like virtual collaboration environments, personalised services/ media, virtual sport groups, on-line gaming, edutainment. In this context, the interaction with content combined with interactive/multimedia search capabilities across distributed repositories, opportunistic P2P networks and the dynamic adaptation to the characteristics of diverse mobile terminals are expected to contribute towards such a vision. Based on work that has taken place in a number of EC co-funded projects, in Framework Program 6 (FP6) and Framework Program 7 (FP7), a group of experts and technology visionaries have voluntarily contributed in this white paper aiming to describe the status, the state-of-the art, the challenges and the way ahead in the area of Content Aware media delivery platforms

Telecommunications Networks

This book guides readers through the basics of rapidly emerging networks to more advanced concepts and future expectations of Telecommunications Networks. It identifies and examines the most pressing research issues in Telecommunications and it contains chapters written by leading researchers, academics and industry professionals. Telecommunications Networks - Current Status and Future Trends covers surveys of recent publications that investigate key areas of interest such as: IMS, eTOM, 3G/4G, optimization problems, modeling, simulation, quality of service, etc. This book, that is suitable for both PhD and master students, is organized into six sections: New Generation Networks, Quality of Services, Sensor Networks, Telecommunications, Traffic Engineering and Routing

A consistent and fault-tolerant data store for software defined networks

Tese de mestrado em Segurança Informática, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013O sucesso da Internet é indiscutível. No entanto, desde há muito tempo que são feitas sérias críticas à sua arquitectura. Investigadores acreditam que o principal problema dessa arquitectura reside no facto de os dispositivos de rede incorporarem funções distintas e complexas que vão além do objectivo de encaminhar pacotes, para o qual foram criados [1]. O melhor exemplo disso são os protocolos distribuídos (e complexos) de encaminhamento, que os routers executam de forma a conseguir garantir o encaminhamento de pacotes. Algumas das consequências disso são a complexidade das redes tradicionais tanto em termos de inovação como de manutenção. Como resultado, temos redes dispendiosas e pouco resilientes. De forma a resolver este problema uma arquitectura de rede diferente tem vindo a ser adoptada, tanto pela comunidade científica como pela indústria. Nestas novas redes, conhecidas como Software Defined Networks (SDN), há uma separação física entre o plano de controlo do plano de dados. Isto é, toda a lógica e estado de controlo da rede é retirada dos dispositivos de rede, para passar a ser executada num controlador logicamente centralizado que com uma visão global, lógica e coerente da rede, consegue controlar a mesma de forma dinâmica. Com esta delegação de funções para o controlador os dispositivos de rede podem dedicar-se exclusivamente à sua função essencial de encaminhar pacotes de dados. Assim sendo, os dipositivos de redes permanecem simples e mais baratos, e o controlador pode implementar funções de controlo simplificadas (e possivelmente mais eficazes) graças à visão global da rede. No entanto um modelo de programação logicamente centralizado não implica um sistema centralizado. De facto, a necessidade de garantir níveis adequados de performance, escalabilidade e resiliência, proíbem que o plano de controlo seja centralizado. Em vez disso, as redes de SDN que operam a nível de produção utilizam planos de controlo distribuídos e os arquitectos destes sistemas têm que enfrentar os trade-offs fundamentais associados a sistemas distribuídos. Nomeadamente o equilíbrio adequado entre coerência e disponibilidade do sistema. Neste trabalho nós propomos uma arquitectura de um controlador distribuído, tolerante a faltas e coerente. O elemento central desta arquitectura é uma base de dados replicada e tolerante a faltas que mantém o estado da rede coerente, de forma a garantir que as aplicações de controlo da rede, que residem no controlador, possam operar com base numa visão coerente da rede que garanta coordenação, e consequentemente simplifique o desenvolvimento das aplicações. A desvantagem desta abordagem reflecte-se no decréscimo de performance, que limita a capacidade de resposta do controlador, e também a escalabilidade do mesmo. Mesmo assumindo estas consequências, uma conclusão importante do nosso estudo é que é possível atingir os objectivos propostos (i.e., coerência forte e tolerância a faltas) e manter a performance a um nível aceitável para determinados tipo de redes. Relativamente à tolerância a faltas, numa arquitectura SDN estas podem ocorrer em três domínios diferentes: o plano de dados (falhas do equipamento de rede), o plano de controlo (falhas da ligação entre o controlador e o equipamento de rede) e, finalmente, o próprio controlador. Este último é de uma importância particular, sendo que a falha do mesmo pode perturbar a rede por inteiro (i.e., deixando de existir conectividade entre os hosts). É portanto essencial que as redes de SDN que operam a nível de produção possuam mecanismos que possam lidar com os vários tipos de faltas e garantir disponibilidade perto de 100%. O trabalho recente em SDN têm explorado a questão da coerência a níveis diferentes. Linguagens de programação como a Frenetic [2] oferecem coerência na composição de políticas de rede, conseguindo resolver incoerências nas regras de encaminhamento automaticamente. Outra linha de trabalho relacionado propõe abstracções que garantem a coerência da rede durante a alteração das tabelas de encaminhamento do equipamento. O objectivo destes dois trabalhos é garantir a coerência depois de decidida a política de encaminhamento. O Onix (um controlador de SDN muitas vezes referenciado [3]) garante um tipo de coerência diferente: uma que é importante antes da política de encaminhamento ser tomada. Este controlador oferece dois tipos de coerência na salvaguarda do estado da rede: coerência eventual, e coerência forte. O nosso trabalho utiliza apenas coerência forte, e consegue demonstrar que esta pode ser garantida com uma performance superior à garantida pelo Onix. Actualmente, os controladores de SDN distribuídos (Onix e HyperFlow [4]) utilizam modelos de distribuição não transparentes, com propriedades fracas como coerência eventual que exigem maior cuidado no desenvolvimento de aplicações de controlo de rede no controlador. Isto deve-se à ideia (do nosso ponto de vista infundada) de que propriedades como coerência forte limitam significativamente a escalabilidade do controlador. No entanto um controlador com coerência forte traduz-se num modelo de programação mais simples e transparente à distribuição do controlador. Neste trabalho nós argumentámos que é possível utilizar técnicas bem conhecidas de replicação baseadas na máquina de estados distribuída [5], para construir um controlador SDN, que não só garante tolerância a faltas e coerência forte, mas também o faz com uma performance aceitável. Neste sentido a principal contribuição desta dissertação é mostrar que uma base de dados construída com as técnicas mencionadas anteriormente (como as providenciadas pelo BFT-SMaRt [6]), e integrada com um controlador open-source existente (como o Floodlight1), consegue lidar com vários tipos de carga, provenientes de aplicações de controlo de rede, eficientemente. As contribuições principais do nosso trabalho, podem ser resumidas em: 1. A proposta de uma arquitectura de um controlador distribuído baseado nas propriedades de coerência forte e tolerância a faltas; 2. Como a arquitectura proposta é baseada numa base de dados replicada, nós realizamos um estudo da carga produzida por três aplicações na base dados. 3. Para avaliar a viabilidade da nossa arquitectura nós analisamos a capacidade do middleware de replicação para processar a carga mencionada no ponto anterior. Este estudo descobre as seguintes variáveis: (a) Quantos eventos por segundo consegue o middleware processar por segundo; (b) Qual o impacto de tempo (i.e., latência) necessário para processar tais eventos; para cada uma das aplicações mencionadas, e para cada um dos possíveis eventos de rede processados por essas aplicações. Estas duas variáveis são importantes para entender a escalabilidade e performance da arquitectura proposta. Do nosso trabalho, nomeadamente do nosso estudo da carga das aplicações (numa primeira versão da nossa integração com a base de dados) e da capacidade do middleware resultou uma publicação: Fábio Botelho, Fernando Ramos, Diego Kreutz and Alysson Bessani; On the feasibility of a consistent and fault-tolerant data store for SDNs, in Second European Workshop on Software Defined Networks, Berlin, October 2013. Entretanto, nós submetemos esta dissertação cerca de cinco meses depois desse artigo, e portanto, contém um estudo muito mais apurado e melhorado.Even if traditional data networks are very successful, they exhibit considerable complexity manifested in the configuration of network devices, and development of network protocols. Researchers argue that this complexity derives from the fact that network devices are responsible for both processing control functions such as distributed routing protocols and forwarding packets. This work is motivated by the emergent network architecture of Software Defined Networks where the control functionality is removed from the network devices and delegated to a server (usually called controller) that is responsible for dynamically configuring the network devices present in the infrastructure. The controller has the advantage of logically centralizing the network state in contrast to the previous model where state was distributed across the network devices. Despite of this logical centralization, the control plane (where the controller operates) must be distributed in order to avoid being a single point of failure. However, this distribution introduces several challenges due to the heterogeneous, asynchronous, and faulty environment where the controller operates. Current distributed controllers lack transparency due to the eventual consistency properties employed in the distribution of the controller. This results in a complex programming model for the development of network control applications. This work proposes a fault-tolerant distributed controller with strong consistency properties that allows a transparent distribution of the control plane. The drawback of this approach is the increase in overhead and delay, which limits responsiveness and scalability. However, despite being fault-tolerant and strongly consistent, we show that this controller is able to provide performance results (in some cases) superior to those available in the literature