Performance Evaluation of Triple Play Services Delivery with E2E QoS Provisioning

The creation and wide use of new high quality demanding services (VoIP, High Quality Video Streaming) and the delivery of them over already saturated core and access network infrastructures have created the necessity for E2E QoS provisioning. Network Providers use at their infrastructures several kinds of mechanisms and techniques for providing QoS. Most known and widely used technologies are MPLS and DiffServ. The IEEE 802.16-2004 standard (WiMAX) refers to a promising wireless broadband technology with enhanced QoS support algorithms. This document presents an experimental network infrastructure providing E2E QoS, using a combination of MPLS and DiffServ technologies in the core network and WiMAX technology as the wireless access medium for high priority services (VoIP, High Quality Video Streaming) transmission. The main scope is to map the traffic prioritization and classification attributes of the core network to the access network in a way which does not affect the E2E QoS provisioning. The performance evaluation will be done by introducing different kinds of traffic scenarios in a saturated and overloaded network environment. The evaluation will prove that this combination made feasible the E2E QoS provisioning while keeping the initial constrains as well as the services delivered over a wireless network

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

Architectural support for ubiquitous access to multimedia content

Tese de doutoramento. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Telecomunicações). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 200

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

Esquema de controlo para redes multicast baseadas com classes

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaThe expectations of citizens from the Information Technologies (ITs) are increasing as the ITs have become integral part of our society, serving all kinds of activities whether professional, leisure, safety-critical applications or business. Hence, the limitations of the traditional network designs to provide innovative and enhanced services and applications motivated a consensus to integrate all services over packet switching infrastructures, using the Internet Protocol, so as to leverage flexible control and economical benefits in the Next Generation Networks (NGNs). However, the Internet is not capable of treating services differently while each service has its own requirements (e.g., Quality of Service - QoS). Therefore, the need for more evolved forms of communications has driven to radical changes of architectural and layering designs which demand appropriate solutions for service admission and network resources control. This Thesis addresses QoS and network control issues, aiming to improve overall control performance in current and future networks which classify services into classes. The Thesis is divided into three parts. In the first part, we propose two resource over-reservation algorithms, a Class-based bandwidth Over-Reservation (COR) and an Enhanced COR (ECOR). The over-reservation means reserving more bandwidth than a Class of Service (CoS) needs, so the QoS reservation signalling rate is reduced. COR and ECOR allow for dynamically defining over-reservation parameters for CoSs based on network interfaces resource conditions; they aim to reduce QoS signalling and related overhead without incurring CoS starvation or waste of bandwidth. ECOR differs from COR by allowing for optimizing control overhead minimization. Further, we propose a centralized control mechanism called Advanced Centralization Architecture (ACA), that uses a single state-full Control Decision Point (CDP) which maintains a good view of its underlying network topology and the related links resource statistics on real-time basis to control the overall network. It is very important to mention that, in this Thesis, we use multicast trees as the basis for session transport, not only for group communication purposes, but mainly to pin packets of a session mapped to a tree to follow the desired tree. Our simulation results prove a drastic reduction of QoS control signalling and the related overhead without QoS violation or waste of resources. Besides, we provide a generic-purpose analytical model to assess the impact of various parameters (e.g., link capacity, session dynamics, etc.) that generally challenge resource overprovisioning control. In the second part of this Thesis, we propose a decentralization control mechanism called Advanced Class-based resource OverpRovisioning (ACOR), that aims to achieve better scalability than the ACA approach. ACOR enables multiple CDPs, distributed at network edge, to cooperate and exchange appropriate control data (e.g., trees and bandwidth usage information) such that each CDP is able to maintain a good knowledge of the network topology and the related links resource statistics on real-time basis. From scalability perspective, ACOR cooperation is selective, meaning that control information is exchanged dynamically among only the CDPs which are concerned (correlated). Moreover, the synchronization is carried out through our proposed concept of Virtual Over-Provisioned Resource (VOPR), which is a share of over-reservations of each interface to each tree that uses the interface. Thus, each CDP can process several session requests over a tree without requiring synchronization between the correlated CDPs as long as the VOPR of the tree is not exhausted. Analytical and simulation results demonstrate that aggregate over-reservation control in decentralized scenarios keep low signalling without QoS violations or waste of resources. We also introduced a control signalling protocol called ACOR Protocol (ACOR-P) to support the centralization and decentralization designs in this Thesis. Further, we propose an Extended ACOR (E-ACOR) which aggregates the VOPR of all trees that originate at the same CDP, and more session requests can be processed without synchronization when compared with ACOR. In addition, E-ACOR introduces a mechanism to efficiently track network congestion information to prevent unnecessary synchronization during congestion time when VOPRs would exhaust upon every session request. The performance evaluation through analytical and simulation results proves the superiority of E-ACOR in minimizing overall control signalling overhead while keeping all advantages of ACOR, that is, without incurring QoS violations or waste of resources. The last part of this Thesis includes the Survivable ACOR (SACOR) proposal to support stable operations of the QoS and network control mechanisms in case of failures and recoveries (e.g., of links and nodes). The performance results show flexible survivability characterized by fast convergence time and differentiation of traffic re-routing under efficient resource utilization i.e. without wasting bandwidth. In summary, the QoS and architectural control mechanisms proposed in this Thesis provide efficient and scalable support for network control key sub-systems (e.g., QoS and resource control, traffic engineering, multicasting, etc.), and thus allow for optimizing network overall control performance.À medida que as Tecnologias de Informação (TIs) se tornaram parte integrante da nossa sociedade, a expectativa dos cidadãos relativamente ao uso desses serviços também demonstrou um aumento, seja no âmbito das atividades profissionais, de lazer, aplicações de segurança crítica ou negócios. Portanto, as limitações dos projetos de rede tradicionais quanto ao fornecimento de serviços inovadores e aplicações avançadas motivaram um consenso quanto à integração de todos os serviços e infra-estruturas de comutação de pacotes, utilizando o IP, de modo a extrair benefícios económicos e um controlo mais flexível nas Redes de Nova Geração (RNG). Entretanto, tendo em vista que a Internet não apresenta capacidade de diferenciação de serviços, e sabendo que cada serviço apresenta as suas necessidades próprias, como por exemplo, a Qualidade de Serviço - QoS, a necessidade de formas mais evoluídas de comunicação tem-se tornado cada vez mais visível, levando a mudanças radicais na arquitectura das redes, que exigem soluções adequadas para a admissão de serviços e controlo de recursos de rede. Sendo assim, este trabalho aborda questões de controlo de QoS e rede com o objetivo de melhorar o desempenho do controlo de recursos total em redes atuais e futuras, através da análise dos serviços de acordo com as suas classes de serviço. Esta Tese encontra-se dividida em três partes. Na primeira parte são propostos dois algoritmos de sobre-reserva, o Class-based bandwidth Over-Reservation (COR) e uma extensão melhorada do COR denominado de Enhanced COR (ECOR). A sobre-reserva significa a reserva de uma largura de banda maior para o serviço em questão do que uma classe de serviço (CoS) necessita e, portanto, a quantidade de sinalização para reserva de recursos é reduzida. COR e ECOR consideram uma definição dinâmica de sobre-reserva de parâmetros para CoSs com base nas condições da rede, com vista à redução da sobrecarga de sinalização em QoS sem que ocorra desperdício de largura de banda. O ECOR, por sua vez, difere do COR por permitir a otimização com minimização de controlo de overhead. Além disso, nesta Tese é proposto também um mecanismo de controlo centralizado chamado Advanced Centralization Architecture (ACA) , usando um único Ponto de Controlo de Decisão (CDP) que mantém uma visão ampla da topologia de rede e de análise dos recursos ocupados em tempo real como base de controlo para a rede global. Nesta Tese são utilizadas árvores multicast como base para o transporte de sessão, não só para fins de comunicação em grupo, mas principalmente para que os pacotes que pertençam a uma sessão que é mapeada numa determinada árvore sigam o seu caminho. Os resultados obtidos nas simulações dos mecanismos mostram uma redução significativa da sobrecarga da sinalização de controlo, sem a violação dos requisitos de QoS ou desperdício de recursos. Além disso, foi proposto um modelo analítico no sentido de avaliar o impacto provocado por diversos parâmetros (como por exemplo, a capacidade da ligação, a dinâmica das sessões, etc), no sobre-provisionamento dos recursos. Na segunda parte desta tese propôe-se um mecanismo para controlo descentralizado de recursos denominado de Advanced Class-based resource OverprRovisioning (ACOR), que permite obter uma melhor escalabilidade do que o obtido pelo ACA. O ACOR permite que os pontos de decisão e controlo da rede, os CDPs, sejam distribuídos na periferia da rede, cooperem entre si, através da troca de dados e controlo adequados (por exemplo, localização das árvores e informações sobre o uso da largura de banda), de tal forma que cada CDP seja capaz de manter um bom conhecimento da topologia da rede, bem como das suas ligações. Do ponto de vista de escalabilidade, a cooperação do ACOR é seletiva, o que significa que as informações de controlo são trocadas de forma dinâmica apenas entre os CDPs analisados. Além disso, a sincronização é feita através do conceito proposto de Recursos Virtuais Sobre-Provisionado (VOPR), que partilha as reservas de cada interface para cada árvore que usa a interface. Assim, cada CDP pode processar pedidos de sessão numa ou mais árvores, sem a necessidade de sincronização entre os CDPs correlacionados, enquanto o VOPR da árvore não estiver esgotado. Os resultados analíticos e de simulação demonstram que o controlo de sobre-reserva é agregado em cenários descentralizados, mantendo a sinalização de QoS baixa sem perda de largura de banda. Também é desenvolvido um protocolo de controlo de sinalização chamado ACOR Protocol (ACOR-P) para suportar as arquitecturas de centralização e descentralização deste trabalho. O ACOR Estendido (E-ACOR) agrega a VOPR de todas as árvores que se originam no mesmo CDP, e mais pedidos de sessão podem ser processados sem a necessidade de sincronização quando comparado com ACOR. Além disso, E-ACOR introduz um mecanismo para controlar as informações àcerca do congestionamento da rede, e impede a sincronização desnecessária durante o tempo de congestionamento quando os VOPRs esgotam consoante cada pedido de sessão. A avaliação de desempenho, através de resultados analíticos e de simulação, mostra a superioridade do E-ACOR em minimizar o controlo geral da carga da sinalização, mantendo todas as vantagens do ACOR, sem apresentar violações de QoS ou desperdício de recursos. A última parte desta Tese inclui a proposta para recuperação a falhas, o Survivability ACOR (SACOR), o qual permite ter QoS estável em caso de falhas de ligações e nós. Os resultados de desempenho analisados mostram uma capacidade flexível de sobrevivência caracterizada por um tempo de convergência rápido e diferenciação de tráfego com uma utilização eficiente dos recursos. Em resumo, os mecanismos de controlo de recursos propostos nesta Tese fornecem um suporte eficiente e escalável para controlo da rede, como também para os seus principais sub-sistemas (por exemplo, QoS, controlo de recursos, engenharia de tráfego, multicast, etc) e, assim, permitir a otimização do desempenho da rede a nível do controlo global