Characterizing and Improving the Reliability of Broadband Internet Access

In this paper, we empirically demonstrate the growing importance of reliability by measuring its effect on user behavior. We present an approach for broadband reliability characterization using data collected by many emerging national initiatives to study broadband and apply it to the data gathered by the Federal Communications Commission's Measuring Broadband America project. Motivated by our findings, we present the design, implementation, and evaluation of a practical approach for improving the reliability of broadband Internet access with multihoming.Comment: 15 pages, 14 figures, 6 table

Game theoretic approaches to cooperation in wireless networks

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

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

Practical Multi-Interface Network Access for Mobile Devices

Despite the growing number of mobile devices equipped with multiple networking interfaces, they are not using multiple available networks in parallel. The simple network selection techniques only allow for single network to be used at a time and switching between different networks interrupts all existing connections. This work presents system that improves network connectivity in presence of multiple network adapters, not only through better network handovers, smarter network selection and failure detection, but also through increased bandwidth offered to the device over aggregated channels. The biggest challenge such a system has to face is the heterogeneity of networks in mobile environment. Different wireless technologies, and even different networks of the same type offer inconsistent link parameters like available bandwidth, latency or packet loss. The wireless nature of these networks also means, that most of the parameters fluctuate in unpredictable way. Given the intended practicality of designed system, all that complexity has to be hidden from both client-side applications and from the remote servers. These factors combined make the task of designing and implementing an efficient solution difficult. The system incorporates client-side software, as well as network proxy that assists in splitting data traffic, tunnelling it over a number of available network interfaces, and reassembling it on the remote side. These operations are transparent to both applications running on the client, as well as any network servers those applications communicate with. This property allows the system to meet one of the most important requirements, which is the practicality of the solution, and being able to deploy it in real life scenarios, using network protocols available today and on existing devices. This work also studies the most critical cost associated with increased data processing and parallel interface usage - the increase in energy usage, which needs to remain within reasonable values for this kind of solution being usable on mobile devices with limited battery life. The properties of designed and deployed system are evaluated using multiple experiments in different scenarios. Collected results confirm that our approach can provide applications with increased bandwidth when multiple networks are available. We also discover that even though per-second energy usage increases when multiple interfaces are used in parallel, the use of multi-interface connectivity can actually reduce the total energy cost associated with performing specific tasks - effectively saving energy

Flow Scheduling for End-host Multihoming

Fueled by the competing DSL and Cable technologies, residential broadband access has seen a significant spread in availability to the point that many users have a choice from several ISPs. At the same time, 802.11 networks have spread rapidly in the residential area, and it is common for neighbors to be able to access each other's wireless routers. End-users can leverage this diversity to improve their Internet connectivity at no additional cost by pooling all available Internet connections, both their own and their neighbors' via wireless. In this paper we present our design and evaluation of flow scheduling algorithms in PERM, a framework for practical end-host multihoming. PERM scheduler employs automated on-line analysis of the endusers ' networking behaviors, and exploits the recognized patterns to achieve high-performance scheduling at flow level. We verify our models of end-user's network traffic with large residential TCP traces. Based on these models we propose algorithms for scalable pre-probing and hybrid flow scheduling. Intensive experiments in our prototype testbed show that PERM scheduler reduces the latency by up to 50% for light-volume flows, and reduces the mean transmission time of heavy-volume flows by nearly 28% and 62% compared with a single Cable or DSL connection respectively. The PERM scheduler also out-performs algorithms for enterprise multihoming by up to 15% and 27% in mean transmission time for light- and heavy-volume flows respectively