New Challenges in Quality of Services Control Architectures in Next Generation Networks

A mesura que Internet i les xarxes IP s'han anat integrant dins la societat i les corporacions, han anat creixent les expectatives de nous serveis convergents així com les expectatives de qualitat en les comunicacions. Les Next Generation Networks (NGN) donen resposta a les noves necessitats i representen el nou paradigma d'Internet a partir de la convergència IP. Un dels aspectes menys desenvolupats de les NGN és el control de la Qualitat del Servei (QoS), especialment crític en les comunicacions multimèdia a través de xarxes heterogènies i/o de diferents operadors. A més a més, les NGN incorporen nativament el protocol IPv6 que, malgrat les deficiències i esgotament d'adreces IPv4, encara no ha tingut l'impuls definitiu.Aquesta tesi està enfocada des d'un punt de vista pràctic. Així doncs, per tal de poder fer recerca sobre xarxes de proves (o testbeds) que suportin IPv6 amb garanties de funcionament, es fa un estudi en profunditat del protocol IPv6, del seu grau d'implementació i dels tests de conformància i interoperabilitat existents que avaluen la qualitat d'aquestes implementacions. A continuació s'avalua la qualitat de cinc sistemes operatius que suporten IPv6 mitjançant un test de conformància i s'implementa el testbed IPv6 bàsic, a partir del qual es farà la recerca, amb la implementació que ofereix més garanties.El QoS Broker és l'aportació principal d'aquesta tesi: un marc integrat que inclou un sistema automatitzat per gestionar el control de la QoS a través de sistemes multi-domini/multi-operador seguint les recomanacions de les NGN. El sistema automatitza els mecanismes associats a la configuració de la QoS dins d'un mateix domini (sistema autònom) mitjançant la gestió basada en polítiques de QoS i automatitza la negociació dinàmica de QoS entre QoS Brokers de diferents dominis, de forma que permet garantir QoS extrem-extrem sense fissures. Aquesta arquitectura es valida sobre un testbed de proves multi-domini que utilitza el mecanisme DiffServ de QoS i suporta IPv6.L'arquitectura definida en les NGN permet gestionar la QoS tant a nivell 3 (IP) com a nivell 2 (Ethernet, WiFi, etc.) de forma que permet gestionar també xarxes PLC. Aquesta tesi proposa una aproximació teòrica per aplicar aquesta arquitectura de control, mitjançant un QoS Broker, a les noves xarxes PLC que s'estan acabant d'estandarditzar, i discuteix les possibilitats d'aplicació sobre les futures xarxes de comunicació de les Smart Grids.Finalment, s'integra en el QoS Broker un mòdul per gestionar l'enginyeria del tràfic optimitzant els dominis mitjançant tècniques de intel·ligència artificial. La validació en simulacions i sobre un testbed amb routers Cisco demostra que els algorismes genètics híbrids són una opció eficaç en aquest camp.En general, les observacions i avenços assolits en aquesta tesi contribueixen a augmentar la comprensió del funcionament de la QoS en les NGN i a preparar aquests sistemes per afrontar problemes del món real de gran complexitat.A medida que Internet y las redes IP se han ido integrando dentro de la sociedad y las corporaciones, han ido creciendo las expectativas de nuevos servicios convergentes así como las expectativas de calidad en las comunicaciones. Las Next Generation Networks (NGN) dan respuesta a las nuevas necesidades y representan el nuevo paradigma de Internet a partir de la convergencia IP. Uno de los aspectos menos desarrollados de las NGN es el control de la Calidad del Servicio (QoS), especialmente crítico en las comunicaciones multimedia a través de redes heterogéneas y/o de diferentes operadores. Además, las NGN incorporan nativamente el protocolo IPv6 que, a pesar de las deficiencias y agotamiento de direcciones IPv4, aún no ha tenido el impulso definitivo.Esta tesis está enfocada desde un punto de vista práctico. Así pues, con tal de poder hacer investigación sobre redes de prueba (o testbeds) que suporten IPv6 con garantías de funcionamiento, se hace un estudio en profundidad del protocolo IPv6, de su grado de implementación y de los tests de conformancia e interoperabilidad existentes que evalúan la calidad de estas implementaciones. A continuación se evalua la calidad de cinco sistemas operativos que soportan IPv6 mediante un test de conformancia y se implementa el testbed IPv6 básico, a partir del cual se realizará la investigación, con la implementación que ofrece más garantías.El QoS Broker es la aportación principal de esta tesis: un marco integrado que incluye un sistema automatitzado para gestionar el control de la QoS a través de sistemas multi-dominio/multi-operador siguiendo las recomendaciones de las NGN. El sistema automatiza los mecanismos asociados a la configuración de la QoS dentro de un mismo dominio (sistema autónomo) mediante la gestión basada en políticas de QoS y automatiza la negociación dinámica de QoS entre QoS brokers de diferentes dominios, de forma que permite garantizar QoS extremo-extremo sin fisuras. Esta arquitectura se valida sobre un testbed de pruebas multi-dominio que utiliza el mecanismo DiffServ de QoS y soporta IPv6. La arquitectura definida en las NGN permite gestionar la QoS tanto a nivel 3 (IP) o como a nivel 2 (Ethernet, WiFi, etc.) de forma que permite gestionar también redes PLC. Esta tesis propone una aproximación teórica para aplicar esta arquitectura de control, mediante un QoS Broker, a las noves redes PLC que se están acabando de estandardizar, y discute las posibilidades de aplicación sobre las futuras redes de comunicación de las Smart Grids.Finalmente, se integra en el QoS Broker un módulo para gestionar la ingeniería del tráfico optimizando los dominios mediante técnicas de inteligencia artificial. La validación en simulaciones y sobre un testbed con routers Cisco demuestra que los algoritmos genéticos híbridos son una opción eficaz en este campo.En general, las observaciones y avances i avances alcanzados en esta tesis contribuyen a augmentar la comprensión del funcionamiento de la QoS en las NGN y en preparar estos sistemas para afrontar problemas del mundo real de gran complejidad.The steady growth of Internet along with the IP networks and their integration into society and corporations has brought with it increased expectations of new converged services as well as greater demands on quality in communications. The Next Generation Networks (NGNs) respond to these new needs and represent the new Internet paradigm from the IP convergence. One of the least developed aspects in the NGNs is the Quality of Service (QoS) control, which is especially critical in the multimedia communication through heterogeneous networks and/or different operators. Furthermore, the NGNs natively incorporate the IPv6 protocol which, despite its shortcomings and the depletion of IPv4 addresses has not been boosted yet.This thesis has been developed with a practical focus. Therefore, with the aim of carrying out research over testbeds supporting the IPv6 with performance guarantees, an in-depth study of the IPv6 protocol development has been conducted and its degree of implementation and the existing conformance and interoperability tests that evaluate these implementations have been studied. Next, the quality of five implementations has been evaluated through a conformance test and the basic IPv6 testbed has been implemented, from which the research will be carried out. The QoS Broker is the main contribution to this thesis: an integrated framework including an automated system for QoS control management through multi-domain/multi-operator systems according to NGN recommendations. The system automates the mechanisms associated to the QoS configuration inside the same domain (autonomous system) through policy-based management and automates the QoS dynamic negotiation between peer QoS Brokers belonging to different domains, so it allows the guarantee of seamless end-to-end QoS. This architecture is validated over a multi-domain testbed which uses the QoS DiffServ mechanism and supports IPv6.The architecture defined in the NGN allows QoS management at level 3 (IP) as well as at level 2 (e.g. Ethernet, WiFi) so it also facilitates the management of PLC networks. Through the use of a QoS Broker, this thesis proposes a theoretical approach for applying this control architecture to the newly standardized PLC networks, and discusses the possibilities of applying it over the future communication networks of the Smart Grids.Finally, a module for managing traffic engineering which optimizes the network domains through artificial intelligence techniques is integrated in the QoS Broker. The validations by simulations and over a Cisco router testbed demonstrate that hybrid genetic algorithms are an effective option in this area.Overall, the advances and key insights provided in this thesis help advance our understanding of QoS functioning in the NGNs and prepare these systems to face increasingly complex problems, which abound in current industrial and scientific applications

Design and implementation aspects of open source next generation networks (NGN) test-bed software toolkits

Informations- und Kommunikationstechnologien bilden seit langem das immer wichtiger werdende Rückgrat der weltweiten Wirtschaft und Telekommunikation, in der speziell Telekommunikationsnetze und -dienste einen elementaren Anteil tragen. Durch die Konvergenz von Telekommunikations- und Internettechnologien hat sich die Telekommunikationslandschaft in der letzten Dekade drastisch verändert. Bislang geschlossene Telekommunikationsumgebungen haben sich imWandel zum sogenannten Next Generation Network (NGN) hinsichtlich unterstützter Zugangsnetztechnologien und angebotener multimedialer Anwendungen sowie der eingesetzten Protokolle und Dienste zu komplexen, hochdynamischen, Multi-Service Infrastrukturen gewandelt. Die Kontrollschicht solcher NGNs ist dabei von übergeordneter Bedeutung, da diese zwischen den Zugangsnetzen und den Anwendungen sitzt. Der Einsatz und die Optimierung des IP-Multimedia Subsystem (IMS) wurde in diesem Kontext Jahrelang erforscht und diskutiert und es repräsentiert heute die weltweit anerkannte Kontrollplattform für feste und mobile Telekommunikationsnetze. Die Forschung an Protokollen und Diensten in diesen NGN Umgebungen ist aufgrund der Konvergenz von Technologien, Anwendungen und Business Modellen sowie der hohen Dynamik aber kurzen Innovationszyklen hochkomplex. Der frühzeitigen Zugang zu herstellerunabhängigen – aber dicht an der Produktwelt angelehnten - Validierungsinfrastrukturen, sogenannten offenen Technologietest-beds, kurz Test-beds, ist daher für Forschungs- und Entwicklungsabteilungen unerlässlich Die vorliegende Dissertation beschreibt die umfangreiche Forschungsarbeit des Autors auf dem Gebiet der offenen NGN Test-beds über die letzten neun Jahre und konzentriert sich dabei auf Entwurf, Entwicklung und Bereitstellung des Open Source IMS Core Projekt, das seit Jahren die Grundlage für eine Vielzahl von NGN Test-beds und zahllose NGN Forschungs- und Entwicklungsprojekte im akademischen als auch Industrienahen Umfeld rund um den Globus darstellt. Dabei wird ein großer Schwerpunkt auf die Anforderungen hinsichtlich Flexibilität, Leistung, Funktionalitätsumfang und Interoperabilität, sowie elementare Designprinzipien von Test-bedwerkzeugen gelegt. Die Arbeit beschreibt und bewertet darüberhinaus den Einsatz von Open Source Prinzipien und veranschaulicht die Vorteile dieses Ansatzes hinsichtlich Einfluss und Nachhaltigkeit der Forschung anhand des Aufbaus einer globalen Open Source IMS Core (OpenIMSCore) Forschungs-Community. Außerdem veranschaulicht die Arbeit zum Ende die Wiederverwendbarkeit der wesentlichen angewendeten Designprinzipien an anderen maßgeblich durch den Autor entwickelten Test-bed Werkzeugen, insbesondere dem Open Evolved Packet Core (OpenEPC) für die nahtlose Integration verschiedener Breitbandnetztechnologien.Information and Communication Technologies provide for a long time already the backbone of telecommunication networks, such that communication services represent an elementary foundation of today’s globally connected economy. The telecommunication landscape has experienced dramatic transformations through the convergence of the Telecom and the Internet worlds. The previously closed telecommunication domain is currently transforming itself through the so-called NGN evolution into a highly dynamic multiservice infrastructure, supporting rich multimedia applications, as well as providing comprehensive support for various access technologies. The control layer of such NGNs is then of paramount importance, as representing the convergent mediator between access and services. The use and the optimization of the IP-Multimedia Subsystem (IMS) was researched and considered in this domain for many years now, such that today it represents the world-wide recognized control platform for fixed and mobile NGNs. Research on protocols and services for such NGN architectures, due to the convergence of technologies, applications and business models, as well as for enabling highly dynamic and short innovation cycles, is highly complex and requires early access to vendor independent - yet close to real life systems - validation environments, the so-called open technology test-beds. The present thesis describes the extensive research of the author over the last nine years in the field of open NGN test-beds. It focuses on the design, development and deployment of the Open Source IMS Core project, which represents since years the foundation of numerous NGN test-beds and countless NGN Research & Development projects in the academia as well as the industry domain around the globe. A major emphasis is given for ensuring flexibility, performance, reference functionality and inter-operability, as well as satisfying elementary design principles of such test-bed toolkits. The study also describes and evaluates the use of Open Source principles, highlighting the advantages of using it in regard to the creation, impact and sustainability of a global OpenIMSCore research community. Moreover, the work documents that the essential design principles and methodology employed can be reused in a generic way to create test-bed toolkits in other technology domains. This is shown by introducing the OpenEPC project, which provides for seamless integration of different mobile broadband technologies

Le soin du monde : incursions anthropologiques dans le Pan-African e-Network Project

Cette thèse enquête sur l’émergence d’espaces de soin à l’ère de la mondialisation numérique. Elle s’articule autour d’incursions au sein du Pan-African e Network Project (PAN), un réseau de cybersanté par l’entremise duquel des hôpitaux tertiaires situés en Inde offrent des services de téléconsultations et de formation médicale à des centres de santé africains. Des incursions sur la piste d’un projet en constante mutation, pour en saisir la polyvalence ontologique, la pertinence politique, la valeur thérapeutique. Le PAN, c’est une entreprise colossale, aux ramifications multiples. C’est le travail quotidien d’ingénieurs, médecins, gestionnaires. Ce sont des routines techniques, des équipements. À la fois emblème d’une résurgence de la coopération indo-africaine et expression d’une étonnante histoire cybermédicale indienne, le réseau incarne une Inde néolibérale, portée par l’ambition technique et commerciale de propulser la nation au centre de la marche du monde. Le PAN, c’est une ouverture numérique de la clinique, qui reconfigure la spatialité de la prise en charge de patients. C’est un réseau clé en main, une quête insatiable de maîtrise, une infrastructure largement sous-utilisée. C’est le projet d’une humanité à prendre en charge : une humanité prospère, en santé, connectée. De part en part, l’expérience du PAN problématise le telos cybermédical. Au romantisme d’une circulation fluide et désincarnée de l’information et de l’expertise, elle oppose la concrétude, la plasticité et la pure matérialité de pratiques situées. Qu’on parle de « dispositifs » (Foucault), de « réseaux » (Latour), ou de « sphères » (Sloterdijk), la prise en charge du vivant ne s’effectue pas sur des surfaces neutres et homogènes, mais relève plutôt de forces locales et immanentes. Le PAN pose la nécessité de penser la technique et le soin ensemble, et d’ainsi déprendre la question du devenir de la clinique autant du triomphalisme moderne de l’émancipation que du recueillement phénoménologique devant une expérience authentique du monde. Il s’agit, en somme, de réfléchir sur les pratiques, événements et formes de pouvoir qui composent ces « espaces intérieurs » que sont les réseaux cybermédicaux, dans tout leur vacarme, leur splendeur et leur insuffisance.This thesis investigates the emergence of spaces of care in the era of digital globalization. It revolves around several lines of inquiry into the Pan-African e-Network Project (PAN), an eHealth network through which tertiary hospitals in India provide teleconsultation services and continuing medical education to health centres across the African continent. These lines of inquiry lead into a project in constant mutation in order to grasp its ontological versatility, outline its political relevance, assess its therapeutic value. PAN is a colossal, multifaceted enterprise. It involves the daily work of engineers, doctors, and managers who must tend to technical routines, hardware infrastructures, and patient treatments. At once the flagship of a resurgence in Indo-African cooperation and the consequence of India’s eHealth venture, the network is a poster child for neoliberal India, driven by technical and commercial ambitions that seek to position the nation at the heart of global developments. PAN also enacts a digital opening of the clinic, as it reconfigures the spatiality of healthcare access and delivery. A turnkey solution, it displays an insatiable quest for mastery; it is a massive yet largely underutilized infrastructure. PAN embodies an emergent object of political intervention: a prosperous, healthy, connected humanity. This examination of the Pan-African e-Network challenges teleological accounts of eHealth on several fronts. To the romantic conception of a fluid, seamless circulation of expertise and knowledge, it opposes the embeddedness, plasticity and sheer materiality of concrete practices. Whether one speaks of “apparatus” (Foucault), “networks” (Latour), or “spheres” (Sloterdijk), spaces of care have little to do with neutral, homogeneous surfaces, and rely on a multitude of local and immanent forces. PAN obliges us to consider technology and care together, untying the question of the “becoming of the clinic” from both the modern triumphalism of emancipation, and the phenomenological contemplation of an authentic experience of the world. The present challenge is to examine the practices, events, and forms of power that shape the “inner spaces” of eHealth networks, in all their turbulence, splendor, and inadequacies