De-ossifying the Internet Transport Layer : A Survey and Future Perspectives

ACKNOWLEDGMENT The authors would like to thank the anonymous reviewers for their useful suggestions and comments.Peer reviewedPublisher PD

Evaluating the impact of transport mechanisms on web performance for effective web access

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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

Revisiting the IETF multipath extensions on transport layer

Load sharing on the transport layer of the OSI reference model is an important topic in the IETF standardization. This approach is also supported by the industry to optimize the use of the resources in a network like the Internet. After many trials, two basic sets of mechanisms and functionalities on the transport layer have been proposed by the IETF to achieve load sharing. These basic sets extend the protocol mechanisms that were originally designed for the use in singlepath dominated networks and represent only a first step to introduce a real end-to-end multipath transfer on the Internet. These first basic sets must be investigated and improved for the next steps. The Transmission Control Protocol (TCP) and the Stream Control Transmission Protocol (SCTP) provide the basis for the two IETF end-to-end multipath extensions. Both singlepath transport protocols have a different historical background but similar goals. These can be characterized by a reliable, connection-oriented and ordered data transport. However, initial experiments with the IETF multipath extensions in real networks show unexpected and in some cases clearly inadequate results. It is becoming rather apparent that the singlepath transport protocol specifications with their singlepath goals have a significant impact on the effectiveness of the load sharing mechanism and, furthermore, that the severity of the influence depends on the topology. The new mechanisms for multipath transfer include, in particular, an extended “path management” and “scheduling” task. The mechanisms addressing the path management organize the new, alternative paths and the scheduling mechanisms sup- port their effective use. For both protocol extensions of TCP and SCTP, an interaction can be identified between the new load sharing mechanisms and the existing specifications for singlepath transfer. This thesis systematically identifies the impact factors of the singlepath specifications on the new load sharing mechanisms and demonstrates their effects. In addition to the focus on the optimal use, the fair distribution of resources across all connections must be taken into account in the IETF standardization process. This so-called “fairness” discus- sion is mandatory for a transport protocol in the IETF context and has a direct impact on the overall system performance. Furthermore, this thesis discusses the currently implemented load sharing extensions and analyzes their weaknesses. Moreover, in this work new design approaches are developed to decrease the impact

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

Recent Advances in Wireless Communications and Networks

This book focuses on the current hottest issues from the lowest layers to the upper layers of wireless communication networks and provides "real-time" research progress on these issues. The authors have made every effort to systematically organize the information on these topics to make it easily accessible to readers of any level. This book also maintains the balance between current research results and their theoretical support. In this book, a variety of novel techniques in wireless communications and networks are investigated. The authors attempt to present these topics in detail. Insightful and reader-friendly descriptions are presented to nourish readers of any level, from practicing and knowledgeable communication engineers to beginning or professional researchers. All interested readers can easily find noteworthy materials in much greater detail than in previous publications and in the references cited in these chapters

Concurrent multipath transmission to improve performance for multi-homed devices in heterogeneous networks

Recent network technology developments have led to the emergence of a variety of access network technologies - such as IEEE 802.11, wireless local area network (WLAN), IEEE 802.16, Worldwide Interoperability for Microwave Access (WIMAX) and Long Term Evolution (LTE) - which can be integrated to offer ubiquitous access in a heterogeneous network environment. User devices also come equipped with multiple network interfaces to connect to the different network technologies, making it possible to establish multiple network paths between end hosts. However, the current connectivity settings confine the user devices to using a single network path at a time, leading to low utilization of the resources in a heterogeneous network and poor performance for demanding applications, such as high definition video streaming. The simultaneous use of multiple network interfaces, also called bandwidth aggregation, can increase application throughput and reduce the packets' end-to-end delays. However, multiple independent paths often have heterogeneous characteristics in terms of offered bandwidth, latency and loss rate, making it challenging to achieve efficient bandwidth aggregation. For instance, striping the flow's packets over multiple network paths with different latencies can cause packet reordering, which can significantly degrade performance of the current transport protocols. This thesis proposes three new solutions to mitigate the effects of network path heterogeneity on the performance of various concurrent multipath transmission settings. First, a network layer solution is proposed to stripe packets of delay-sensitive and high-bandwidth applications for concurrent transmission across multiple network paths. The solution leverages the paths' latency heterogeneity to reduce packet reordering, leading to minimal reordering delay, which improves performance of delay-sensitive applications. Second, multipath video streaming is developed for H.264 scalable video, where the reference video packets are adaptively assigned to low loss network paths to reduce drifting errors, thus combatting H.264 video distortion effectively. Finally, a new segment scheduling framework - which carefully considers path heterogeneity - is incorporated into the IETF Multipath TCP to improve throughput performance. The proposed solutions have been validated using a series of simulation experiments. The results reveal that the proposed solutions can enable efficient bandwidth aggregation for concurrent multipath transmission over heterogeneous network paths

Network reputation-based quality optimization of video delivery in heterogeneous wireless environments

The mass-market adoption of high-end mobile devices and increasing amount of video traffic has led the mobile operators to adopt various solutions to help them cope with the explosion of mobile broadband data traffic, while ensuring high Quality of Service (QoS) levels to their services. Deploying small-cell base stations within the existing macro-cellular networks and offloading traffic from the large macro-cells to the small cells is seen as a promising solution to increase capacity and improve network performance at low cost. Parallel use of diverse technologies is also employed. The result is a heterogeneous network environment (HetNets), part of the next generation network deployments. In this context, this thesis makes a step forward towards the “Always Best Experience” paradigm, which considers mobile users seamlessly roaming in the HetNets environment. Supporting ubiquitous connectivity and enabling very good quality of rich mobile services anywhere and anytime is highly challenging, mostly due to the heterogeneity of the selection criteria, such as: application requirements (e.g., voice, video, data, etc.); different device types and with various capabilities (e.g., smartphones, netbooks, laptops, etc.); multiple overlapping networks using diverse technologies (e.g., Wireless Local Area Networks (IEEE 802.11), Cellular Networks Long Term Evolution (LTE), etc.) and different user preferences. In fact, the mobile users are facing a complex decision when they need to dynamically select the best value network to connect to in order to get the “Always Best Experience”. This thesis presents three major contributions to solve the problem described above: 1) The Location-based Network Prediction mechanism in heterogeneous wireless networks (LNP) provides a shortlist of best available networks to the mobile user based on his location, history record and routing plan; 2) Reputation-oriented Access Network Selection mechanism (RANS) selects the best reputation network from the available networks for the mobile user based on the best trade-off between QoS, energy consumptions and monetary cost. The network reputation is defined based on previous user-network interaction, and consequent user experience with the network. 3) Network Reputation-based Quality Optimization of Video Delivery in heterogeneous networks (NRQOVD) makes use of a reputation mechanism to enhance the video content quality via multipath delivery or delivery adaptation