Software defined networking based resource management and quality of service support in wireless sensor network applications

To achieve greater performance in computing networks, a setup of critical computing aspects that ensures efficient network operation, needs to be implemented. One of these computing aspects is, Quality of Service (QoS). Its main functionality is to manage traffic queues by means of prioritizing sensitive network traffic. QoS capable networking allows efficient control of traffic especially for network critical data. However, to achieve this in Wireless Sensor Networks (WSN) is a serious challenge, since these technologies have a lot of computing limitations. It is even difficult to manage networking resources with ease in these types of technologies, due to their communication, processing and memory limitations. Even though this is the case with WSNs, they have been largely used in monitoring/detection systems, and by this proving their application importance. Realizing efficient network control requires intelligent methods of network management, especially for sensitive network data. Different network types implement diverse methods to control and administer network traffic as well as effectively manage network resources. As with WSNs, communication traffic and network resource control are mostly performed depending on independently employed mechanisms to deal with networking events occurring on different levels. It is therefore challenging to realize efficient network performance with guaranteed QoS in WSNs, given their computing limitations. Software defined networking (SDN) is advocated as a potential paradigm to improve and evolve WSNs in terms of capacity and application. A means to apply SDN strategies to these compute-limited WSNs, formulates software defined wireless sensor networks (SDWSN). In this work, a resource-aware OpenFlow-based Active Network Management (OF-ANM) QoS scheme that uses SDN strategies is proposed and implemented to apply QoS requirements for managing traffic congestion in WSNs. This scheme uses SDN programmability strategies to apply network QoS requirements and perform traffic load balancing to ensure congestion control in SDWSN. Our experimental results show that the developed scheme is able to provide congestion avoidance within the network. It also allows opportunities to implement flexible QoS requirements based on the system’s traffic state. Moreover, a QoS Path Selection and Resource-associating (Q-PSR) scheme for adaptive load balancing and intelligent resource control for optimal network performance is proposed and implemented. Our experimental results indicate better performance in terms of computation with load balancing and efficient resource alignment for different networking tasks when compared with other competing schemes.Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2018.National Research FoundationUniversity of PretoriaElectrical, Electronic and Computer EngineeringPhDUnrestricte

A study of the applicability of software-defined networking in industrial networks

173 p.Las redes industriales interconectan sensores y actuadores para llevar a cabo funciones de monitorización, control y protección en diferentes entornos, tales como sistemas de transporte o sistemas de automatización industrial. Estos sistemas ciberfísicos generalmente están soportados por múltiples redes de datos, ya sean cableadas o inalámbricas, a las cuales demandan nuevas prestaciones, de forma que el control y gestión de tales redes deben estar acoplados a las condiciones del propio sistema industrial. De este modo, aparecen requisitos relacionados con la flexibilidad, mantenibilidad y adaptabilidad, al mismo tiempo que las restricciones de calidad de servicio no se vean afectadas. Sin embargo, las estrategias de control de red tradicionales generalmente no se adaptan eficientemente a entornos cada vez más dinámicos y heterogéneos.Tras definir un conjunto de requerimientos de red y analizar las limitaciones de las soluciones actuales, se deduce que un control provisto independientemente de los propios dispositivos de red añadiría flexibilidad a dichas redes. Por consiguiente, la presente tesis explora la aplicabilidad de las redes definidas por software (Software-Defined Networking, SDN) en sistemas de automatización industrial. Para llevar a cabo este enfoque, se ha tomado como caso de estudio las redes de automatización basadas en el estándar IEC 61850, el cual es ampliamente usado en el diseño de las redes de comunicaciones en sistemas de distribución de energía, tales como las subestaciones eléctricas. El estándar IEC 61850 define diferentes servicios y protocolos con altos requisitos en terminos de latencia y disponibilidad de la red, los cuales han de ser satisfechos mediante técnicas de ingeniería de tráfico. Como resultado, aprovechando la flexibilidad y programabilidad ofrecidas por las redes definidas por software, en esta tesis se propone una arquitectura de control basada en el protocolo OpenFlow que, incluyendo tecnologías de gestión y monitorización de red, permite establecer políticas de tráfico acorde a su prioridad y al estado de la red.Además, las subestaciones eléctricas son un ejemplo representativo de infraestructura crítica, que son aquellas en las que un fallo puede resultar en graves pérdidas económicas, daños físicos y materiales. De esta forma, tales sistemas deben ser extremadamente seguros y robustos, por lo que es conveniente la implementación de topologías redundantes que ofrezcan un tiempo de reacción ante fallos mínimo. Con tal objetivo, el estándar IEC 62439-3 define los protocolos Parallel Redundancy Protocol (PRP) y High-availability Seamless Redundancy (HSR), los cuales garantizan un tiempo de recuperación nulo en caso de fallo mediante la redundancia activa de datos en redes Ethernet. Sin embargo, la gestión de redes basadas en PRP y HSR es estática e inflexible, lo que, añadido a la reducción de ancho de banda debida la duplicación de datos, hace difícil un control eficiente de los recursos disponibles. En dicho sentido, esta tesis propone control de la redundancia basado en el paradigma SDN para un aprovechamiento eficiente de topologías malladas, al mismo tiempo que se garantiza la disponibilidad de las aplicaciones de control y monitorización. En particular, se discute cómo el protocolo OpenFlow permite a un controlador externo configurar múltiples caminos redundantes entre dispositivos con varias interfaces de red, así como en entornos inalámbricos. De esta forma, los servicios críticos pueden protegerse en situaciones de interferencia y movilidad.La evaluación de la idoneidad de las soluciones propuestas ha sido llevada a cabo, principalmente, mediante la emulación de diferentes topologías y tipos de tráfico. Igualmente, se ha estudiado analítica y experimentalmente cómo afecta a la latencia el poder reducir el número de saltos en las comunicaciones con respecto al uso de un árbol de expansión, así como balancear la carga en una red de nivel 2. Además, se ha realizado un análisis de la mejora de la eficiencia en el uso de los recursos de red y la robustez alcanzada con la combinación de los protocolos PRP y HSR con un control llevado a cabo mediante OpenFlow. Estos resultados muestran que el modelo SDN podría mejorar significativamente las prestaciones de una red industrial de misión crítica

Flexible cross layer optimization for fixed and mobile broadband telecommunication networks and beyond

In der heutigen Zeit, in der das Internet im Allgemeinen und Telekommunikationsnetze im Speziellen kritische Infrastrukturen erreicht haben, entstehen hohe Anforderungen und neue Herausforderungen an den Datentransport in Hinsicht auf Effizienz und Flexibilität. Heutige Telekommunikationsnetze sind jedoch rigide und statisch konzipiert, was nur ein geringes Maß an Flexibilität und Anpassungsfähigkeit der Netze ermöglicht und darüber hinaus nur im begrenzten Maße die Wichtigkeit von Datenflüssen im wiederspiegelt. Diverse Lösungsansätze zum kompletten Neuentwurf als auch zum evolutionären Konzept des Internet wurden ausgearbeitet und spezifiziert, um diese neuartigen Anforderungen und Herausforderungen adäquat zu adressieren. Einer dieser Ansätze ist das Cross Layer Optimierungs-Paradigma, welches eine bisher nicht mögliche direkte Kommunikation zwischen verteilten Funktionalitäten unterschiedlichen Typs ermöglicht, um ein höheres Maß an Dienstgüte zu erlangen. Ein wesentlicher Indikator, welcher die Relevanz dieses Ansatzes unterstreicht, zeichnet sich durch die Programmierbarkeit von Netzwerkfunktionalitäten aus, welche sich aus der Evolution von heutigen hin zu zukünftigen Netzen erkennen lässt. Dieses Konzept wird als ein vielversprechender Lösungsansatz für Kontrollmechanismen von Diensten in zukünftigen Kernnetzwerken erachtet. Dennoch existiert zur Zeit der Entstehung dieser Doktorarbeit kein Ansatz zur Cross Layer Optimierung in Festnetz-und Mobilfunknetze, welcher der geforderten Effizienz und Flexibilität gerecht wird. Die übergeordnete Zielsetzung dieser Arbeit adressiert die Konzeptionierung, Entwicklung und Evaluierung eines Cross Layer Optimierungsansatzes für Telekommunikationsnetze. Einen wesentlichen Schwerpunkt dieser Arbeit stellt die Definition einer theoretischen Konzeptionierung und deren praktischer Realisierung eines Systems zur Cross Layer Optimierung für Telekommunikationsnetze dar. Die durch diese Doktorarbeit analysierten wissenschaftlichen Fragestellungen betreffen u.a. die Anwendbarkeit von Cross Layer Optimierungsansätzen auf Telekommunikationsnetzwerke; die Betrachtung neuartiger Anforderungen; existierende Konzepte, Ansätze und Lösungen; die Abdeckung neuer Funktionalitäten durch bereits existierende Lösungen; und letztendlich den erkennbaren Mehrwert des neu vorgeschlagenen Konzepts gegenüber den bestehenden Lösungen. Die wissenschaftlichen Beiträge dieser Doktorarbeit lassen sich grob durch vier Säulen skizzieren: Erstens werden der Stand der Wissenschaft und Technik analysiert und bewertet, Anforderungen erhoben und eine Lückenanalyse vorgenommen. Zweitens werden Herausforderungen, Möglichkeiten, Limitierungen und Konzeptionierungsaspekte eines Modells zur Cross Layer Optimierung analysiert und evaluiert. Drittens wird ein konzeptionelles Modell - Generic Adaptive Resource Control (GARC) - spezifiziert, als Prototyp realisiert und ausgiebig validiert. Viertens werden theoretische und praktische Beiträge dieser Doktorarbeit vertiefend analysiert und bewertet.As the telecommunication world moves towards a data-only network environment, signaling, voice and other data are similarly transported as Internet Protocol packets. New requirements, challenges and opportunities are bound to this transition and influence telecommunication architectures accordingly. In this time in which the Internet in general, and telecommunication networks in particular, have entered critical infrastructures and systems, it is of high importance to guarantee efficient and flexible data transport. A certain level of Quality-of-Service (QoS) for critical services is crucial even during overload situations in the access and core network, as these two are the bottlenecks in the network. However, the current telecommunication architecture is rigid and static, which offers very limited flexibility and adaptability. Several concepts on clean slate as well as evolutionary approaches have been proposed and defined in order to cope with these new challenges and requirements. One of these approaches is the Cross Layer Optimization paradigm. This concept omits the strict separation and isolation of the Application-, Control- and Network-Layers as it enables interaction and fosters Cross Layer Optimization among them. One indicator underlying this trend is the programmability of network functions, which emerges clearly during the telecommunication network evolution towards the Future Internet. The concept is regarded as one solution for service control in future mobile core networks. However, no standardized approach for Cross Layer signaling nor optimizations in between the individual layers have been standardized at the time this thesis was written. The main objective of this thesis is the design, implementation and evaluation of a Cross Layer Optimization concept on telecommunication networks. A major emphasis is given to the definition of a theoretical model and its practical realization through the implementation of a Cross Layer network resource optimization system for telecommunication systems. The key questions answered through this thesis are: in which way can the Cross Layer Optimization paradigm be applied on telecommunication networks; which new requirements arise; which of the required functionalities cannot be covered through existing solutions, what other conceptual approaches already exist and finally whether such a new concept is viable. The work presented in this thesis and its contributions can be summarized in four parts: First, a review of related work, a requirement analysis and a gap analysis were performed. Second, challenges, limitations, opportunities and design aspects for specifying an optimization model between application and network layer were formulated. Third, a conceptual model - Generic Adaptive Resource Control (GARC) - was specified and its prototypical implementation was realized. Fourth, the theoretical and practical thesis contributions was validated and evaluated

Experimental Codepoint Allocation for the Path Computation Element Communication Protocol (PCEP)

IANA assigns values to the Path Computation Element Communication Protocol (PCEP) parameters (messages, objects, TLVs). IANA established a top-level registry to contain all PCEP codepoints and sub-registries. This top-level registry contains sub-registries for PCEP message, object, and TLV types. The allocation policy for each of these sub-registries is IETF Review. This document updates RFC 5440 by changing the allocation policies for these three registries to mark some of the codepoints as assigned for Experimental Use