Simultaneous multi-access in heterogeneous mobile networks

The exponential growth of the number of multihomed mobile devices is changing the way how we connect to the Internet. Unfortunately, it is not yet easily possible to a multihomed device to be simultaneously connected to the network through multiple links. This work enhances the network access of multihomed devices. This enhancement is achieved by using simultaneously all of the mobile devices interfaces, and by individually routing each data flow through the most adequate technology. The proposed solution is only deployed at the network core and it does not depend on the mobile devices, i.e., it’s transparent to the mobile devices. This work gives the necessary tools to reuse the already deployed technologies like WiFi or 3G/LTE. Moreover, it is also possible to extend the network by using femtocells which support multi access technologies. This work is also integrated with IEEE 802.21 standard to improve the handover mechanisms in the network. Additionally, we also propose an integration with a broker that can manage all the data flows individually. The proposed solution improves the quality of service of the users while not overloading the operator infrastructure. Evaluation results, obtained from the developed prototype, evidence that the overhead for using the proposed solution is very small when compared to the advantages.O crescimento exponencial do número de equipamentos móveis com múltiplas tecnologias de acesso à rede está a mudar a maneira como nos ligamos à Internet. Infelizmente, ainda não é possível usar simultaneamente todas as interfaces de rede de um equipamento móvel. Este trabalho melhora o acesso à rede a partir de dispositivos móveis com múltiplas interfaces de rede. Para alcançar esta melhoria todas as interfaces de rede dos dispositivos móveis podem ser usadas simultaneamente, e os fluxos de tráfego são encaminhados individualmente através da tecnologia mais conveniente. A solução proposta apenas é instalada na rede core, ou seja, é transparente para os equipamentos móveis. Este trabalho desenvolveu as ferramentas necessárias para reutilizar as tecnologias existentes que já estão disponíveis em larga escala, como o WiFi ou o 3G/LTE. É também possível usar femto-­células com suporte a múltiplas tecnologias de acesso para expandir mais rapidamente a rede. Este trabalho criou também uma integração com a norma IEEE 802.21 para melhorar os processos de handover. Adicionalmente propomos a integração com um broker externo para uma melhor gestão dos fluxos de tráfego. A solução proposta melhora a qualidade de serviço dos utilizadores sem sobrecarregar a infra-­estrutura do operador. Os resultados obtidos a partir dos testes realizados ao protótipo desenvolvido mostram que o impacto na performance ao usar esta solução é extremamente reduzido quando comparado com as suas vantagens

Survey on PMIPv6-based Mobility Management Architectures for Software-Defined Networking

Software-Defined Networking (SDN) has changed the network landscape. Meanwhile, IP-based mobility management still evolves, and SDN affects it dramatically. Integrating Proxy Mobile IPv6 (PMIPv6) – a network-based mobility management protocol – with the SDN paradigm has created several promising approaches. This paper will present an extensive survey on the joint research area of PMIPv6 and SDN mobility management by detailing the available SDN-integrated network-based techniques and architectures that intend to accelerate handover and mitigate service disruption of mobility events in softwareized telecommunication networks. The article also provides an overview of where PMIPv6 can be used and how SDN may help reach those ways

Movilidad IP en redes heterogéneas: optimización de flujos de tráfico con QoS

El despliegue de los servicios de banda ancha en redes convergentes no está exento de desafíos. Redes que surgen como consecuencia del nuevo paradigma surgido dentro de un contexto de arquitectura de red centrada en el usuario, arquitecturas capaces de alojar servicios caracterizados por sus altas tasas de bit rate y pequeños retardos. De este modo, la gestión del estado “seamless”, esto es, la continuidad de la sesión IP en distintas redes de acceso, y la provisión de calidad de servicio (Quality of Service, QoS) en el flujo binario de tráfico que forma el servicio, se posicionan como factores relevantes. La continuidad de la sesión IP significa conseguir pequeñas latencias, y un número reducido de retransmisiones de paquetes durante el movimiento del MN entre las distintas redes de acceso. Con esa visión se están diseñando los nuevos protocolos de movilidad, en especial Proxy Mobile IPv6 (PMIPv6), capaces de asegurar una gestión transparente de la movilidad en la capa de red y de maximizar en la medida de lo posible la QoS durante el movimiento del terminal. Los esfuerzos actuales de los organismos de estandarización, como el 3GPP, se focalizan en ese sentido; cómo estructurar ese enorme volumen de tráfico dentro del Evolved Packet System (EPS). . Las propuestas actuales pasan por la optimización de tráficos poco eficientes y voluminosos, y por diseñar tecnologías capaces de conmutar rápidamente los paquetes en los switches del "backhaul", mejorando así los valores de latencia y ancho de banda. La búsqueda de estas nuevas propuestas está despertando un gran interés en la comunidad científica. Estudiar el problema planteado alrededor de la movilidad IP y buscar nuevos mecanismos para optimizar el tráfico es el principal objetivo de este trabajo. Para ello, se buscarán y propondrán arquitecturas y soluciones donde la posibilidad de separar el tráfico de señalización de la infraestructura subyacente de red se convierta en una realidad y donde la provisión de recursos con una visión global del sistema permita el despliegue de servicios de banda ancha con la QoE (Quality of Experience) esperada por el usuario

A Survey on Data Plane Programming with P4: Fundamentals, Advances, and Applied Research

With traditional networking, users can configure control plane protocols to match the specific network configuration, but without the ability to fundamentally change the underlying algorithms. With SDN, the users may provide their own control plane, that can control network devices through their data plane APIs. Programmable data planes allow users to define their own data plane algorithms for network devices including appropriate data plane APIs which may be leveraged by user-defined SDN control. Thus, programmable data planes and SDN offer great flexibility for network customization, be it for specialized, commercial appliances, e.g., in 5G or data center networks, or for rapid prototyping in industrial and academic research. Programming protocol-independent packet processors (P4) has emerged as the currently most widespread abstraction, programming language, and concept for data plane programming. It is developed and standardized by an open community and it is supported by various software and hardware platforms. In this paper, we survey the literature from 2015 to 2020 on data plane programming with P4. Our survey covers 497 references of which 367 are scientific publications. We organize our work into two parts. In the first part, we give an overview of data plane programming models, the programming language, architectures, compilers, targets, and data plane APIs. We also consider research efforts to advance P4 technology. In the second part, we analyze a large body of literature considering P4-based applied research. We categorize 241 research papers into different application domains, summarize their contributions, and extract prototypes, target platforms, and source code availability.Comment: Submitted to IEEE Communications Surveys and Tutorials (COMS) on 2021-01-2

Segurança e privacidade em terminologia de rede

Security and Privacy are now at the forefront of modern concerns, and drive a significant part of the debate on digital society. One particular aspect that holds significant bearing in these two topics is the naming of resources in the network, because it directly impacts how networks work, but also affects how security mechanisms are implemented and what are the privacy implications of metadata disclosure. This issue is further exacerbated by interoperability mechanisms that imply this information is increasingly available regardless of the intended scope. This work focuses on the implications of naming with regards to security and privacy in namespaces used in network protocols. In particular on the imple- mentation of solutions that provide additional security through naming policies or increase privacy. To achieve this, different techniques are used to either embed security information in existing namespaces or to minimise privacy ex- posure. The former allows bootstraping secure transport protocols on top of insecure discovery protocols, while the later introduces privacy policies as part of name assignment and resolution. The main vehicle for implementation of these solutions are general purpose protocols and services, however there is a strong parallel with ongoing re- search topics that leverage name resolution systems for interoperability such as the Internet of Things (IoT) and Information Centric Networks (ICN), where these approaches are also applicable.Segurança e Privacidade são dois topicos que marcam a agenda na discus- são sobre a sociedade digital. Um aspecto particularmente subtil nesta dis- cussão é a forma como atribuímos nomes a recursos na rede, uma escolha com consequências práticas no funcionamento dos diferentes protocols de rede, na forma como se implementam diferentes mecanismos de segurança e na privacidade das várias partes envolvidas. Este problema torna-se ainda mais significativo quando se considera que, para promover a interoperabili- dade entre diferentes redes, mecanismos autónomos tornam esta informação acessível em contextos que vão para lá do que era pretendido. Esta tese foca-se nas consequências de diferentes políticas de atribuição de nomes no contexto de diferentes protocols de rede, para efeitos de segurança e privacidade. Com base no estudo deste problema, são propostas soluções que, através de diferentes políticas de atribuição de nomes, permitem introdu- zir mecanismos de segurança adicionais ou mitigar problemas de privacidade em diferentes protocolos. Isto resulta na implementação de mecanismos de segurança sobre protocolos de descoberta inseguros, assim como na intro- dução de mecanismos de atribuiçao e resolução de nomes que se focam na protecçao da privacidade. O principal veículo para a implementação destas soluções é através de ser- viços e protocolos de rede de uso geral. No entanto, a aplicabilidade destas soluções extende-se também a outros tópicos de investigação que recorrem a mecanismos de resolução de nomes para implementar soluções de intero- perabilidade, nomedamente a Internet das Coisas (IoT) e redes centradas na informação (ICN).Programa Doutoral em Informátic

Gestão de ligações baseada em IEEE 802.21

Mestrado em Engenharia de Computadores e TelemáticaAvanços recentes nas telecomunicações conduziram a uma combinação de várias interfaces de acesso à rede num único dispositivo. Os programas de gestão de ligações atuais lidam com as diferentes tecnologias individualmente, e baseiam a seleção da rede de acesso em parâmetros tais como a potência de sinal, ou taxa de transmissão máxima. Nem sempre estes mecanismos refletem a performance real de uma rede, levando a uma experiência de acesso fraca. Neste trabalho é implementada uma framework de gestão de ligações inovadora, baseada na norma IEEE 802.21. Esta norma disponibiliza mecanismos que facilitam e otimizam handovers entre diferentes tecnologias e a seleção de ligações através da troca de informações entre as entidades da rede e o terminal, incluindo informação de QoS, desempenho ou outras características. Além disso, a norma permite a gestão de dispositivos independentemente da tecnologia, através de uma interface uniformizada ao nível da camada de ligação de dados. Em virtude da extensão desta interface com mecanismos multi-camada, a nova framework possibilita a configuração asbtrata das interfaces de rede, incluindo a associação, configurações de segurança e endereçamento IP. O acesso a informação da rede capacita ainda os gestores de ligações para a realização de melhores decisões, tendo em conta o estado da rede e os requisitos das aplicações do terminal. Esta framework é integrada com as ferramentas e applets de configuração de rede do sistema operativo GNU/Linux, através da substituição transparente da aplicação NetworkManager. Em comparação, a nova framework apresenta overhead insignificante, uma quantidade de código inferior e melhor consumo de bateria, além de mecanismos otimizados para ligação oportunística.Recent advances in telecommunications have lead to the combination of various network access interfaces in a single device. Current network management software handles different technologies individually, and base connection decisions on parameters such as signal strength, or maximum throughput. Often, these network attributes do not reflect the real network perfomance, leading to poor network experience. In this work, a novel network management framework is implemented, based on the IEEE 802.21 standard. This standard provides mechanisms to facilitate and optimize inter-technology handovers and network selection through information exchanges between network and terminal entities, including QoS and other network capability and performance information. Moreover, it enables media independent device management via a common link layer interface. By extending this interface with cross-layer mechanisms, the new framework allows abstract configuration of the network interfaces, including network association, security setup procedures and IP address configuration. The access to network information will additionally empower network managers to perform better decisions that take network state and terminal application requirements into account. This framework is integrated with the existing configuration tools and applets from the GNU/Linux Operating System, by seamlessly replacing the existing NetworkManager application. In doing so, the new framework shows insignificant overhead, a reduced code base and better battery consumption, on top of optimized procedures for opportunistic network attachment

Wi-Fi Enabled Healthcare

Focusing on its recent proliferation in hospital systems, Wi-Fi Enabled Healthcare explains how Wi-Fi is transforming clinical work flows and infusing new life into the types of mobile devices being implemented in hospitals. Drawing on first-hand experiences from one of the largest healthcare systems in the United States, it covers the key areas associated with wireless network design, security, and support. Reporting on cutting-edge developments and emerging standards in Wi-Fi technologies, the book explores security implications for each device type. It covers real-time location services and emerging trends in cloud-based wireless architecture. It also outlines several options and design consideration for employee wireless coverage, voice over wireless (including smart phones), mobile medical devices, and wireless guest services. This book presents authoritative insight into the challenges that exist in adding Wi-Fi within a healthcare setting. It explores several solutions in each space along with design considerations and pros and cons. It also supplies an in-depth look at voice over wireless, mobile medical devices, and wireless guest services. The authors provide readers with the technical knowhow required to ensure their systems provide the reliable, end-to-end communications necessary to surmount today’s challenges and capitalize on new opportunities. The shared experience and lessons learned provide essential guidance for large and small healthcare organizations in the United States and around the world. This book is an ideal reference for network design engineers and high-level hospital executives that are thinking about adding or improving upon Wi-Fi in their hospitals or hospital systems

Acesso banda larga sem fios em ambientes heterogéneos de próxima geração

Doutoramento em Engenharia InformáticaO acesso ubíquo à Internet é um dos principais desafios para os operadores de telecomunicações na próxima década. O número de utilizadores da Internet está a crescer exponencialmente e o paradigma de acesso "always connected, anytime, anywhere" é um requisito fundamental para as redes móveis de próxima geração. A tecnologia WiMAX, juntamente com o LTE, foi recentemente reconhecida pelo ITU como uma das tecnologias de acesso compatíveis com os requisitos do 4G. Ainda assim, esta tecnologia de acesso não está completamente preparada para ambientes de próxima geração, principalmente devido à falta de mecanismos de cross-layer para integração de QoS e mobilidade. Adicionalmente, para além das tecnologias WiMAX e LTE, as tecnologias de acesso rádio UMTS/HSPA e Wi-Fi continuarão a ter um impacto significativo nas comunicações móveis durante os próximos anos. Deste modo, é fundamental garantir a coexistência das várias tecnologias de acesso rádio em termos de QoS e mobilidade, permitindo assim a entrega de serviços multimédia de tempo real em redes móveis. Para garantir a entrega de serviços multimédia a utilizadores WiMAX, esta Tese propõe um gestor cross-layer WiMAX integrado com uma arquitectura de QoS fim-a-fim. A arquitectura apresentada permite o controlo de QoS e a comunicação bidireccional entre o sistema WiMAX e as entidades das camadas superiores. Para além disso, o gestor de cross-layer proposto é estendido com eventos e comandos genéricos e independentes da tecnologia para optimizar os procedimentos de mobilidade em ambientes WiMAX. Foram realizados testes para avaliar o desempenho dos procedimentos de QoS e mobilidade da arquitectura WiMAX definida, demonstrando que esta é perfeitamente capaz de entregar serviços de tempo real sem introduzir custos excessivos na rede. No seguimento das extensões de QoS e mobilidade apresentadas para a tecnologia WiMAX, o âmbito desta Tese foi alargado para ambientes de acesso sem-fios heterogéneos. Neste sentido, é proposta uma arquitectura de mobilidade transparente com suporte de QoS para redes de acesso multitecnologia. A arquitectura apresentada integra uma versão estendida do IEEE 802.21 com suporte de QoS, bem como um gestor de mobilidade avançado integrado com os protocolos de gestão de mobilidade do nível IP. Finalmente, para completar o trabalho desenvolvido no âmbito desta Tese, é proposta uma extensão aos procedimentos de decisão de mobilidade em ambientes heterogéneos para incorporar a informação de contexto da rede e do terminal. Para validar e avaliar as optimizações propostas, foram desenvolvidos testes de desempenho num demonstrador inter-tecnologia, composta pelas redes de acesso WiMAX, Wi-Fi e UMTS/HSPA.Ubiquitous Internet access is one of the main challenges for the telecommunications industry in the next decade. The number of users accessing the Internet is growing exponentially and the network access paradigm of “always connected, anytime, anywhere” is a central requirement for the so-called Next Generation Mobile Networks (NGMN). WiMAX, together with LTE, was recently recognized by ITU as one of the compliant access technologies for 4G. Nevertheless, WiMAX is not yet fully prepared for next generation environments, mainly due to the lack of QoS and mobility crosslayer procedures to support real-time multimedia services delivery. Furthermore, besides the 4G compliant WiMAX and LTE radio access technologies, UMTS/HSPA and Wi-Fi will also have a significant impact in the mobile communications during the next years. Therefore, it is fundamental to ensure the coexistence of multiple radio access technologies in what QoS and mobility procedures are concerned, thereby allowing the delivery of real-time services in mobile networks. In order to provide the WiMAX mobile users with the demanded multimedia services, it is proposed in this Thesis a WiMAX cross-layer manager integrated in an end-to-end all-IP QoS enabled architecture. The presented framework enables the QoS control and bidirectional communication between WiMAX and the upper layer network entities. Furthermore, the proposed cross-layer framework is extended with media independent events and commands to optimize the mobility procedures in WiMAX environments. Tests were made to evaluate the QoS and mobility performance of the defined architecture, demonstrating that it is perfectly capable of handling and supporting real time services without introducing an excessive cost in the network. Following the QoS and mobility extensions provided for WiMAX, the scope of this Thesis is broaden and a seamless mobility architecture with QoS support in heterogeneous wireless access environments is proposed. The presented architecture integrates an extended version of the IEEE 802.21 framework with QoS support, as well as an advanced mobility manager integrated with the IP level mobility management protocols. Finally, to complete the work within the framework of this Thesis, it is proposed an extension to the handover decisionmaking processes in heterogeneous access environments through the integration of context information from both the network entities and the enduser. Performance tests were developed in a real testbed to validate the proposed optimizations in an inter-technology handover scenario involving WiMAX, Wi-Fi and UMTS/HSPA

Rethinking Software Network Data Planes in the Era of Microservices

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen