On the Modelling of CDNaaS Deployment

With the increasing demand for over the top media content, understanding user perception and Quality of Experience (QoE) estimation have become a major business necessity for service providers. Online video broadcasting is a multifaceted procedure and calculation of performance for the components that build up a streaming platform requires an overall understanding of the Content Delivery Network as a service (CDNaaS) concept. Therefore, to evaluate delivery quality and predicting user perception while considering NFV (Network Function Virtualization) and limited cloud resources, a relationship between these concepts is required. In this paper, a generalized mathematical model to calculate the success rate of different tiers of online video delivery system is presented. Furthermore, an algorithm that indicates the correct moment to switch between CDNs is provided to improve throughput efficiency while maintaining QoE and keeping the cloud hosting costs as lowest possible

Contributing to the pathway towards 5G experimentation with an SDN-controlled network box

Καθώς η απαίτηση σε ευρυζωνικές υπηρεσίες κινητών επικοινωνιών αυξάνεται ραγδαία, τα υπάρχοντα δίκτυα κινητών επικοινωνιών πλησιάζουν τα όριά τους κάνοντας επιτακτική την ανάγκη εξέλιξής τους η οποία θα επέλθει με την τεχνολογική άφιξη της επόμενης γενιάς κινητών επικοινωνιών, ευρέως γνωστής ως 5G. Το 5G μεταφέρει όλες εκείνες τις δυνατότητες οι οποίες είναι απαραίτητες για να καλυφθούν οι συνεχώς αυξανόμενες ανάγκες σε ευρυζωνικές υπηρεσίες, να υποστηρίξουν το Internet of Things καθώς και να ενοποιήσουν ετερογενείς υπηρεσίες σε διαφορετικές βιομηχανίες. Η παρούσα διπλωματική εργασία στοχεύει να παρουσιάσει το “Network in a box”, ένα καινοτόμο εργαλείο που αναπτύξαμε στο εργαστήριο, το οποίο βασίζεται επάνω στους θεμέλιους λίθους του 5G, το SDN και το NFV. Με το SDN να είναι η νέα προσέγγιση στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών, ο έλεγχος διαχωρίζεται από τα δεδομένα παρέχοντας τη δυνατότητα οποιεσδήποτε αποφάσεις ελέγχου, να λαμβάνονται κεντρικά, μετατρέποντας έτσι τις κλασικές δικτυακές συσκευές σε απλά προωθητικά στοιχεία του δικτύου. Η συγκεκριμένη διάταξη μιμείται ένα πραγματικό δίκτυο, το οποίο διαθέτει δυνατότητες αυτο-οργάνωσης και αυτο-βελτίωσης, προσομοιώνοντας τη λειτουργία του 5G δικτύου. Το συγκεκριμένο εργαλείο είναι επίσης ικανό να παράσχει KPI μετρικές του 5G δικτύου κάτω από πραγματικές συνθήκες ενόσω αληθινές δικτυακές συσκευές είναι συνδεδεμένες σε αυτό. Η δομή της παρούσας διπλωματικής εργασίας αναλύεται σε πέντε κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζει τις προκλήσεις που σύντομα θα κληθούν να αντιμετωπίσουν τα δίκτυα κινητών επικοινωνιών και πώς αυτές μπορούν να καλυφθούν με την τεχνολογία του 5G. Το δεύτερο κεφάλαιο εισάγει την τάση στην αγορά των κινητών επικοινωνιών που διαφένεται πίσω από την επερχόμενη άφιξη του 5G, αποκαλύπτοντας το επιχειρηματικό πλαίσιο για επιχειρήσεις, καταναλωτές και συνεργασίες όπως επίσης και κάποιες περιπτώσεις χρήσης που αντικατοπτρίζουν την διαρκή εξέλιξη στις ευρυζωνικές υπηρεσίες κινητών επικοινωνιών. Το τρίτο κεφάλαιο εμπεριέχει μια μικρή επισκόπηση των τρέχοντων έργων πάνω στο 5G, τα οποία ξεκίνησαν υπό την αιγίδα της Ευρωπαϊκής Επιτροπής με τη συνεργασία προμηθευτών τεχνολογίας επικοινωνιών, παρόχων υπηρεσιών, μικρομεσαίων επιχειρήσεων και πανεπιστημίων. Γίνεται επίσης αναφορά στις βασικές τεχνολογίες του 5G και στις δραστηριότητες προτυποποίησής του. Προχωρώντας στο τέταρτο κεφάλαιο, περιγράφουμε σε βάθος την αρχιτεκτονική του 5G δικτύου, αναλύοντας τα SDN, NFV, MANO και εξετάζουμε πώς αυτά συνεισφέρουν στη βιωσιμότητα του δικτύου. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο εισάγουμε μια καινοτόμο ιδέα που αναπτύξαμε στο εργαστήριο δικτύων του πανεπιστημίου μας, ένα πλήρως αυτόνομο δικτυακό εργαλείο, το “Network in a box”. Παρουσιάζουμε σε βάθος πώς αυτός ο server μπορεί να εγκατασταθεί και να λειτουργήσει καθώς και τις δυνατότητές του κάτω από πραγματικές συνθήκες λειτουργίας του δικτύου, ενώ λαμβάνουν χώρα υποβάθμιση ποιότητας ή μη-διαθεσιμότητα στις δικτυακές ζεύξεις, παρέχοντας επίσης μετρικές από τη λειτουργία του δικτύου σε πραγματικό χρόνο.As the demand in mobile broadband is tremendously increased and the heterogeneity of the services to be covered is growing rapidly, current mobile networks are close to their limits imposing the need of an evolution which is going to be introduced by the next generation technology, the ITU IMT-2020, well known as 5G. 5G brings all those capabilities required to cover the increased mobile broadband needs, support the Internet of Things and bind heterogeneous services in different industries. This diploma thesis aims at presenting the “Network in a box”, an innovative tool we developed which is based on the key 5G principles, SDN and NFV. With Software Defined Networking (SDN) being the new approach in mobile networks, control and data plane are decoupled providing the ability to make any control related decisions centrally and transform legacy network devices to simple forwarding elements. This testbed is a portable emulated network device which is self-managed and self-optimised and can be connected between any real network devices, emulating how the 5G network will perform. This plug & play black-box testbed is also capable of providing KPI metrics of the 5G network under real circumstances when real network devices are connected to it. The structure of this diploma thesis is decomposed in five chapters. Chapter 1 presents the challenges mobile networks will shortly face due to the growing heterogeneous demands in communications towards the year 2020 and beyond and how these can be met with the upcoming 5G technology. Chapter 2 introduces the market trend behind the new era of 5G, revealing the business context for enterprises, consumers, verticals and partnerships as well as some use cases which reflect the continuous mobile broadband evolution. Chapter 3 includes a short overview of the ongoing 5G projects, initiated under the umbrella of the European Commission, with the collaboration of communications technology vendors, telecommunications operators, service providers, small and medium-sized enterprises (SMEs) and universities. There is also a reference in 5G key enabling technologies and standardisation activities as we move towards the next generation mobile networks technology. Moving forward, chapter 4 describes in detail the technological components of 5G network architecture such as SDN, NFV, MANO and examines how these 5G key enabling technologies contribute to the overall networks’ sustainability. Finally, in chapter 5 we introduce an innovative idea developed in our university’s communications network research laboratory, an autonomous emulated portable network testbed, the “Network in a box”. We present in-depth how this portable server is deployed, operates and demonstrate the way it can be connected to real network elements emulating a real 5G end-to-end customer network. Moreover, in this last chapter we present “Network in a box” capabilities under real network circumstances when link degradations or failures take place, providing also real-time network metrics

Quality of Experience monitoring and management strategies for future smart networks

One of the major driving forces of the service and network's provider market is the user's perceived service quality and expectations, which are referred to as user's Quality of Experience (QoE). It is evident that QoE is particularly critical for network providers, who are challenged with the multimedia engineering problems (e.g. processing, compression) typical of traditional networks. They need to have the right QoE monitoring and management mechanisms to have a significant impact on their budget (e.g. by reducing the users‘ churn). Moreover, due to the rapid growth of mobile networks and multimedia services, it is crucial for Internet Service Providers (ISPs) to accurately monitor and manage the QoE for the delivered services and at the same time keep the computational resources and the power consumption at low levels. The objective of this thesis is to investigate the issue of QoE monitoring and management for future networks. This research, developed during the PhD programme, aims to describe the State-of-the-Art and the concept of Virtual Probes (vProbes). Then, I proposed a QoE monitoring and management solution, two Agent-based solutions for QoE monitoring in LTE-Advanced networks, a QoE monitoring solution for multimedia services in 5G networks and an SDN-based approach for QoE management of multimedia services

An SDN QoE Monitoring Framework for VoIP and video applications

Τα τελευταία χρόνια έχει σημειωθεί ραγδαία άνοδος του κλάδου των κινητών επικοινωνιών, αφού η χρήση των κινητών συσκευών εξαπλώνεται με ταχύτατους ρυθμούς και αναμένεται να συνεχίσει τη διείσδυσή της στην καθημερινότητα των καταναλωτών. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με τους περιορισμούς που θέτει η τρέχουσα δομή των δικτύων επικοινωνιών, καθιστά αναγκαία την ανάπτυξη νέων δικτύων με αυξημένες δυνατότητες, ώστε να είναι δυνατή η εξυπηρέτηση των χρηστών με την καλύτερη δυνατή ποιότητα εμπειρίας και ταυτόχρονα τη βέλτιστη αξιοποίηση των πόρων του δικτύου. Μία νέα δικτυακή προσέγγιση αποτελεί η δικτύωση βασισμένη στο λογισμικό (Software Defined Networking - SDN), η οποία αφαιρεί τον έλεγχο από τις συσκευές προώθησης του δικτύου, και οι αποφάσεις λαμβάνονται σε κεντρικό σημείο. Η ποιότητα υπηρεσίας που αντιλαμβάνεται ο χρήστης, ή αλλιώς ποιότητα εμπειρίας, κρίνεται ζήτημα υψηλής σημασίας στα δίκτυα SDN. Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο την παρουσίαση της τεχνολογίας SDN, την επισκόπηση της υπάρχουσας έρευνας στο πεδίο της ποιότητας εμπειρίας σε SDN δίκτυα και στη συνέχεια την ανάπτυξη μίας SDN εφαρμογής η οποία παρακολουθεί και διατηρεί την ποιότητας εμπειρίας σε υψηλά επίπεδα για εφαρμογές VoIP και video. Πιο συγκεκριμένα, η εφαρμογή SQMF (SDN QoE Monitoring Framework) παρακολουθεί περιοδικά στο μονοπάτι μετάδοσης των πακέτων διάφορες παραμέτρους του δικτύου, με βάση τις οποίες υπολογίζει την ποιότητα εμπειρίας. Εάν διαπιστωθεί ότι το αποτέλεσμα είναι μικρότερο από ένα προσδιορισμένο κατώφλι, η εφαρμογή αλλάζει το μονοπάτι μετάδοσης, και έτσι η ποιότητα εμπειρίας ανακάμπτει. Η δομή της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εξής: Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται η σημερινή εικόνα των δικτύων επικοινωνιών και οι προβλέψεις για τη μελλοντική εικόνα, καθώς και οι προκλήσεις στις οποίες τα σημερινά δίκτυα δε θα μπορούν να αντεπεξέλθουν. Στη συνέχεια στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται αναλυτικά η τεχνολογία SDN ως προς την αρχιτεκτονική, το κύριο πρωτόκολλο που χρησιμοποιεί, τα σενάρια χρήσης της, την προτυποποίηση, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της. Το κεφάλαιο 3 εισάγει την έννοια της ποιότητας εμπειρίας του χρήστη και παραθέτει ευρέως γνωστά μοντέλα υπολογισμού της για διάφορους τύπους εφαρμογών, που χρησιμοποιούνται στην παρούσα εργασία. Σχετικές υπάρχουσες μελέτες στο πεδίο της ποιότητας εμπειρίας σε δίκτυα SDN αλλά και συγκριτικός πίνακας μπορούν να βρεθούν στο κεφάλαιο 4. Τα επόμενα κεφάλαια αφορούν στην εφαρμογή SQMF που υλοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας: το κεφάλαιο 5 περιγράφει αναλυτικά όλα τα προαπαιτούμενα εργαλεία και οδηγίες για την ανάπτυξη του SQMF, ενώ το κεφάλαιο 6 παρουσιάζει παραδείγματα όπου η ποιότητα εμπειρίας ενός δικτύου μπορεί να υποστεί μείωση. Τέλος, το κεφάλαιο 7 αναλύει σε βάθος τις σχεδιαστικές προδιαγραφές, τη λογική και τον κώδικα του SQMF και παρέχει επίδειξη της λειτουργίας του και αξιολόγησή του, ενώ το κεφάλαιο 8 συνοψίζει επιγραμματικά τα συμπεράσματα της παρούσας εργασίας και ανοιχτά θέματα για μελλοντική έρευνα.Lately, there has been a rapid rise of the mobile communications industry, since the use of mobile devices is spreading at a fast pace and is expected to continue its penetration into the daily routine of consumers. This fact, combined with the limitations of the current communications networks’ structure, necessitates the development of new networks with increased capabilities, so that users can be served with the best possible quality of service and at the same time with the optimal network resources utilization. A new networking approach is Software Defined Networking (SDN) which decouples the control from the data plane, transforming the network elements to simple forwarding devices and making decisions centrally. The quality of service perceived by the user, or quality of experience (QoE), is considered to be a matter of great importance in software defined networks. This diploma thesis aims at presenting SDN technology, reviewing existing research in the field of QoE on SDN networks and then developing an SDN application that monitors and preserves the QoE for VoIP and video applications. More specifically, the developed SDN QoE Monitoring Framework (SQMF) periodically monitors various network parameters on the VoIP/video packets transmission path, based on which it calculates the QoE. If it is found that the result is less than a predefined threshold, the framework changes the transmission path, and thus the QoE recovers. The structure of this diploma thesis is the following: Chapter 1 presents the current state of communications networks and predictions for the future state, as well as the challenges that current networks will not be able to cope with. Chapter 2 then describes in detail the SDN technology in terms of architecture, main control-data plane communication protocol, use cases, standardization, advantages and disadvantages. Chapter 3 introduces the concept of QoE and lists well-known QoE estimation models for various applications types, some of which were used in this thesis. Relevant existing studies in the field of QoE on SDN networks as well as a comparative table can be found in chapter 4. The following chapters concern the framework implemented in the context of this diploma thesis: Chapter 5 describes in detail all the required tools and instructions for the development of SQMF, while Chapter 6 presents examples where the QoE in a network can face degradation. Finally, Chapter 7 analyzes in depth SQMF's design principles, logic and code files, provides a demonstration of its operation and evaluates it, whereas Chapter 8 briefly summarizes the conclusions and of this thesis and future work points