A Survey on Handover Management in Mobility Architectures

This work presents a comprehensive and structured taxonomy of available techniques for managing the handover process in mobility architectures. Representative works from the existing literature have been divided into appropriate categories, based on their ability to support horizontal handovers, vertical handovers and multihoming. We describe approaches designed to work on the current Internet (i.e. IPv4-based networks), as well as those that have been devised for the "future" Internet (e.g. IPv6-based networks and extensions). Quantitative measures and qualitative indicators are also presented and used to evaluate and compare the examined approaches. This critical review provides some valuable guidelines and suggestions for designing and developing mobility architectures, including some practical expedients (e.g. those required in the current Internet environment), aimed to cope with the presence of NAT/firewalls and to provide support to legacy systems and several communication protocols working at the application layer

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

HMS: A Hierarchical Mapping System for the Locator/ID Separation Network

The current Internet is facing serious scalability problems and the overloading of Internet Protocol (IP) addresses is regarded as an important reason. The Locator/ID Separation Protocol (LISP) is proposed as a network-based solution that separates IP addresses into Routing Locators (RLOCs) and Endpoint Identifiers (EIDs) to address the routing scalability problems. It is a critical challenge for LISP to design a scalable and efficient mapping system. In this paper, we propose a hierarchical mapping system (HMS). HMS consists of two levels with the bottom level maintaining the EID-to-RLOC mappings in an Autonomous System (AS) and the upper level storing the mappings between EID-prefixes and ASs in the global network. We adopt one-hop Distributed Hash Table (DHT) to organize EID-to-RLOC mappings in the bottom level and use a protocol like Border Gateway Protocol (BGP) to propagate EID-prefix-to-AS mappings in the upper level. HMS aggregates the prefixes in an AS and decreases the global mapping entries in the upper level. The evaluation results show that the number of mapping entries in HMS grows slower than the routing table size, which makes HMS scalable. In addition, the mobility in HMS does not cause mapping changes in the upper level. It makes HMS efficient in supporting host mobility. We estimate the map-requests sent to the mapping system, which show the load on HMS is small. Last, we compare HMS with LISP-TREE and LISP+ALT by quantitative analysis, in terms of resolution cost, and qualitative analysis. The results show that HMS has a good performance

Blind packet forwarding: a clean-slate security approach for future networks

Meanwhile, there exist a wealth of approaches for a Future Network Architecture (FNA). Although these approaches differ in their orientation, they all suggest that a network should be service-oriented and flexibly orchestrated from atomic smart in-network services. In order to utilise the complete functionality of the orchestrated network, the in-network services require access to various control data that is exchanged in different ways. Hence, the communication endpoints have to expose more and more information about themselves. However, the in-network services as well as third parties are able to sniff information while it is transferred in cleartext. Beside these considerations, end-to-end encryption is the de facto method applied to provide information confidentiality for two communicating endpoints. But if the communicating endpoints perform end-to-end encryption, in-network services cannot accomplish their tasks anymore, since they cannot access the encrypted control data. Thus, it becomes impossible to fully utilise the benefits of FNA approaches. These issues indicate that it is only possible to realise one of the two goals – information confidentiality and smart in-network services – at once. But we demonstrate the feasibility to simultaneously establish smart in-network services and to provide information confidentiality by redesigning the packet forwarding service to make it operate blindly, which we call Blind Packet Forwarding (BPF). We choose this in-network service as an example because packet forwarding is one of the basic services required for most network architectures. Moreover, packet addresses act as the basis for operations performed by further in-network services. Furthermore, it was not possible so far to transfer packet addresses in end-to-end encrypted form. BPF provides confidentiality for packet addresses during transmission as well as during processing by network nodes

An ILNP-based solution for future heterogeneous wireless networks

Utilization of the different wireless interfaces (Cellular, Wi-Fi and WiMAX) that come with many of the Mobile Nodes today is central to improving Quality of Experience and Quality of Service in future networks. Although the interfaces are of different technologies as are the access links, the core/backbone networks are now based on IP infrastructure. Efforts to simplify network handover between these technologies – termed vertical handover (VHO) – have not been successful with IP due its mechanism for managing nodes’ identity and location. Researchers have defined and implemented some solutions that proposed the separation of identity of a Mobile Node from its location, and among those proposals is the Identifier Locator Network Protocol (ILNP). In this work, we propose a Linux-based implementation of the ILNPv6 protocol – an instance of the ILNP that is compatible with IPv6 – on laboratory testbed. We also proposed an Information Server managing a defined geographical location we called AREA, to augment some of the shortfalls that we observed with ILNP. We believe that this combination provides the necessary ground for achieving seamless VHO in heterogeneous wireless environments of the future

Chord-based Resource Identifier-to-Locator Mapping and Searching for the Future Internet

A great many problems, such as scalability, mapping data searching, high frequency update of mapping data, arise in the future network resource mapping system for its vast data processing need. Future Network Chord (FN Chord), an algorithm based on Chord and aims at solving the resources identity mapping and searching problem, is put forward by taking advantage of the qualities of scalability, rapid searching speed, high searching efficiency and flexible naming of chord in order to solve this problem. What’s more, an extra interest node index table for FN Chord is designed to record the hotspot resource mapping location in the paper. So, the resource searching strategy, which is named as Interest Index Table Future Network Chord (IIT-FN Chord) is proposed to search the resource in the paper. The entropy weight method is used to calculate the node interest level according the interest nodes’ resource item online time and visited times and to renew the interest index table. Moreover, probability replacement method is proposed to replace the outdated item on interest index table with new item. Simulation results show that the algorithm can decrease the average searching latency, average searching hops and thus increases the searching efficiency for the resource searching

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

State-of-the-Art Multihoming Protocols and Support for Android

Il traguardo più importante per la connettività wireless del futuro sarà sfruttare appieno le potenzialità offerte da tutte le interfacce di rete dei dispositivi mobili. Per questo motivo con ogni probabilità il multihoming sarà un requisito obbligatorio per quelle applicazioni che puntano a fornire la migliore esperienza utente nel loro utilizzo. Sinteticamente è possibile definire il multihoming come quel processo complesso per cui un end-host o un end-site ha molteplici punti di aggancio alla rete. Nella pratica, tuttavia, il multihoming si è rivelato difficile da implementare e ancor di più da ottimizzare. Ad oggi infatti, il multihoming è lontano dall’essere considerato una feature standard nel network deployment nonostante anni di ricerche e di sviluppo nel settore, poiché il relativo supporto da parte dei protocolli è quasi sempre del tutto inadeguato. Naturalmente anche per Android in quanto piattaforma mobile più usata al mondo, è di fondamentale importanza supportare il multihoming per ampliare lo spettro delle funzionalità offerte ai propri utenti. Dunque alla luce di ciò, in questa tesi espongo lo stato dell’arte del supporto al multihoming in Android mettendo a confronto diversi protocolli di rete e testando la soluzione che sembra essere in assoluto la più promettente: LISP. Esaminato lo stato dell’arte dei protocolli con supporto al multihoming e l’architettura software di LISPmob per Android, l’obiettivo operativo principale di questa ricerca è duplice: a) testare il roaming seamless tra le varie interfacce di rete di un dispositivo Android, il che è appunto uno degli obiettivi del multihoming, attraverso LISPmob; e b) effettuare un ampio numero di test al fine di ottenere attraverso dati sperimentali alcuni importanti parametri relativi alle performance di LISP per capire quanto è realistica la possibilità da parte dell’utente finale di usarlo come efficace soluzione multihoming

Use of locator/identifier separation to improve the future internet routing system

The Internet evolved from its early days of being a small research network to become a critical infrastructure many organizations and individuals rely on. One dimension of this evolution is the continuous growth of the number of participants in the network, far beyond what the initial designers had in mind. While it does work today, it is widely believed that the current design of the global routing system cannot scale to accommodate future challenges. In 2006 an Internet Architecture Board (IAB) workshop was held to develop a shared understanding of the Internet routing system scalability issues faced by the large backbone operators. The participants documented in RFC 4984 their belief that "routing scalability is the most important problem facing the Internet today and must be solved." A potential solution to the routing scalability problem is ending the semantic overloading of Internet addresses, by separating node location from identity. Several proposals exist to apply this idea to current Internet addressing, among which the Locator/Identifier Separation Protocol (LISP) is the only one already being shipped in production routers. Separating locators from identifiers results in another level of indirection, and introduces a new problem: how to determine location, when the identity is known. The first part of our work analyzes existing proposals for systems that map identifiers to locators and proposes an alternative system, within the LISP ecosystem. We created a large-scale Internet topology simulator and used it to compare the performance of three mapping systems: LISP-DHT, LISP+ALT and the proposed LISP-TREE. We analyzed and contrasted their architectural properties as well. The monitoring projects that supplied Internet routing table growth data over a large timespan inspired us to create LISPmon, a monitoring platform aimed at collecting, storing and presenting data gathered from the LISP pilot network, early in the deployment of the LISP protocol. The project web site and collected data is publicly available and will assist researchers in studying the evolution of the LISP mapping system. We also document how the newly introduced LISP network elements fit into the current Internet, advantages and disadvantages of different deployment options, and how the proposed transition mechanism scenarios could affect the evolution of the global routing system. This work is currently available as an active Internet Engineering Task Force (IETF) Internet Draft. The second part looks at the problem of efficient one-to-many communications, assuming a routing system that implements the above mentioned locator/identifier split paradigm. We propose a network layer protocol for efficient live streaming. It is incrementally deployable, with changes required only in the same border routers that should be upgraded to support locator/identifier separation. Our proof-of-concept Linux kernel implementation shows the feasibility of the protocol, and our comparison to popular peer-to-peer live streaming systems indicates important savings in inter-domain traffic. We believe LISP has considerable potential of getting adopted, and an important aspect of this work is how it might contribute towards a better mapping system design, by showing the weaknesses of current favorites and proposing alternatives. The presented results are an important step forward in addressing the routing scalability problem described in RFC 4984, and improving the delivery of live streaming video over the Internet