Middleware de comunicações para a internet móvel futura

Doutoramento em Informática (MAP-I)A evolução constante em novas tecnologias que providenciam suporte à forma como os nossos dispositivos se ligam, bem como a forma como utilizamos diferentes capacidades e serviços on-line, criou um conjunto sem precedentes de novos desafios que motivam o desenvolvimento de uma recente área de investigação, denominada de Internet Futura. Nesta nova área de investigação, novos aspectos arquiteturais estão ser desenvolvidos, os quais, através da re-estruturação de componentes nucleares subjacentesa que compõem a Internet, progride-a de uma forma capaz de não são fazer face a estes novos desafios, mas também de a preparar para os desafios de amanhã. Aspectos chave pertencendo a este conjunto de desafios são os ambientes de rede heterogéneos compostos por diferentes tipos de redes de acesso, a cada vez maior mudança do tráfego peer-to-peer (P2P) como o tipo de tráfego mais utilizado na Internet, a orquestração de cenários da Internet das Coisas (IoT) que exploram mecanismos de interação Maquinaa-Maquina (M2M), e a utilização de mechanismos centrados na informação (ICN). Esta tese apresenta uma nova arquitetura capaz de simultaneamente fazer face a estes desafios, evoluindo os procedimentos de conectividade e entidades envolvidas, através da adição de uma camada de middleware, que age como um mecanismo de gestão de controlo avançado. Este mecanismo de gestão de controlo aproxima as entidades de alto nível (tais como serviços, aplicações, entidades de gestão de mobilidade, operações de encaminhamento, etc.) com as componentes das camadas de baixo nível (por exemplo, camadas de ligação, sensores e atuadores), permitindo uma otimização conjunta dos procedimentos de ligação subjacentes. Os resultados obtidos não só sublinham a flexibilidade dos mecanismos que compoem a arquitetura, mas também a sua capacidade de providenciar aumentos de performance quando comparados com outras soluÇÕes de funcionamento especÍfico, enquanto permite um maior leque de cenáios e aplicações.The constant evolution in new technologies that support the way our devices are able to connect, as well the way we use available on-line services and capabilities, has created a set of unprecedented new challenges that motivated the development of a recent research trend known as the Future Internet. In this research trend, new architectural aspects are being developed which, through the restructure of underlying core aspects composing the Internet, reshapes it in a way capable of not only facing these new challenges, but also preparing it to tackle tomorrow’s new set of complex issues. Key aspects belonging to this set of challenges are heterogeneous networking environments composed by di↵erent kinds of wireless access networks, the evergrowing change from peer-to-peer (P2P) to video as the most used kind of traffic in the Internet, the orchestration of Internet of Things (IoT) scenarios exploiting Machine-to-Machine (M2M) interactions, and the usage of Information-Centric Networking (ICN). This thesis presents a novel framework able to simultaneous tackle these challenges, empowering connectivity procedures and entities with a middleware acting as an advanced control management mechanism. This control management mechanism brings together both high-level entities (such as application services, mobility management entities, routing operations, etc.) with the lower layer components (e.g., link layers, sensor devices, actuators), allowing for a joint optimization of the underlying connectivity and operational procedures. Results highlight not only the flexibility of the mechanisms composing the framework, but also their ability in providing performance increases when compared with other specific purpose solutions, while allowing a wider range of scenarios and deployment possibilities

Multicast Group Membership Management in Media Independent Handover Services

Abstract Currently we are witnessing an explosion of devices able to connect to a variety of wired and wireless access network technologies. This connectivity is increasingly integrating networks composed by sensors, actuators and even utility devices that use private and public networks to relay important information and measurements. The deployment of the so-called Smart Grid technologies allied to the rise of Machine-to-Machine communications require new mechanisms to optimally manage the change of point of attachment to the network of these huge clouds of nodes, assisting in tackling the scale of the problem. With this problematic in mind, the IEEE 802.21 WG started on March 2012 a new project, named IEEE 802.21d, Group Management Services. This amendment establishes the required changes to the original specification, in order to manage the mobility of groups of nodes. This work follows closely the progress of the Task Group on the use cases, requirements and gap analysis, providing in addition a potential solution, integrating new group mechanisms, extensions to the MIH Protocol and associated security enhancements. This solution has been implemented and validated in a custom built testbed, with results showing that the utilisation of Group Control procedures through multicast signalling achieves a lower cost when compared with unicast signalling, in group handover and sensor information dissemination scenarios

Descoberta de serviços independentes do acesso para redes heterogéneas

Mestrado em Engenharia de Computadores e TelemáticaA recente proliferação de nós móveis com múltiplas interfaces sem fios e a constituição de ambientes heterogéneos possibilitaram a criação de cenários complexos onde os operadores de rede necessitam de disponibilizar conectividade para diferentes tipos de redes de acesso. Assim, a norma IEEE 802.21 foi especificada de forma a facilitar e optimizar os procedimentos de handover entre diferentes tecnologias de acesso sem perda de conectividade. Para cumprir o seu propósito, a norma disponibiliza serviços chamados Media Independent Handover e que permitem o controlo e a obtenção de informação de diferentes ligações. A configuração estática destes serviços por parte do nó móvel torna-se ineficiente devido aos múltiplos cenários possíveis. Desta forma, o nó móvel deve descobrir nós da rede que providenciem serviços de mobilidade e as suas capacidade de uma forma dinâmica. Nesta dissertação, um conjunto de mecanismos para descoberta de serviços de handover independentes do acesso são analisados, implementados e avaliados em termos de duração e quantidade de informação trocada. Um novo mecanismo de descoberta de entidades locais é também proposto e avaliado, demonstrando que a sua utilização aumenta o desempenho e requer a troca de menos quantidade de informação.The recent proliferation of mobile nodes with multiple wireless interfaces, in addition to the creation of heterogeneous environments, created complex scenarios where network operators need to provide connectivity for di erent kinds of access networks. Therefore, the IEEE 802.21 standard has been speci ed to facilitate and optimize handover procedures between di erent access technologies in a seamless way. To ful l its purpose, it provides Media Independent Handover services which allow the control and gathering of information from di erent links. The static con guration of these services by the MN becomes ine cient due to the amount of possible scenarios. Thus, the MN must discover the network-supporting nodes and their capabilities in a dynamic way. In this work, a series of proposed Media Independent Handover discovery procedures are analyzed, implemented and evaluated in terms of duration and amount of exchanged information. In addition, a novel discovery procedure for local entities is proposed and evaluated, showing that its deployment increases the performance and requires less information exchanged

A network-based coordination design for seamless handover between heterogeneous wireless networks

Includes bibliographical references (leaves 136-144).The rapid growth of mobile and wireless communication over the last few years has spawned many different wireless networks. These heterogeneous wireless networks are envisioned to interwork over an IP-based infrastructure to realize ubiquitous network service provisioning for mobile users. Moreover, the availability of multiple-interface mobile nodes (MNs) will make it possible to communicate through any of these wireless access networks. This wireless network heterogeneity combined with the availability of multiple-interface MNs creates an environment where handovers between the different wireless access technologies become topical during mobility events. Therefore, operators with multiple interworking heterogeneous wireless networks will need to facilitate seamless vertical handovers among their multiple systems. Seamless vertical handovers ensure ubiquitous continuity to active connections hence satisfy the quality of experience of the mobile users

Distribuição de vídeo para grupos de utilizadores em redes móveis heterogéneas19

The evolutions veri ed in mobile devices capabilities (storage capacity, screen resolution, processor, etc.) over the last years led to a signi cant change in mobile user behavior, with the consumption and creation of multimedia content becoming more common, in particular video tra c. Consequently, mobile operator networks, despite being the target of architectural evolutions and improvements over several parameters (such as capacity, transmission and reception performance, amongst others), also increasingly become more frequently challenged by performance aspects associated to the nature of video tra c, whether by the demanding requirements associated to that service, or by its volume increase in such networks. This Thesis proposes modi cations to the mobile architecture towards a more e cient video broadcasting, de ning and developing mechanisms applicable to the network, or to the mobile terminal. Particularly, heterogeneous networks multicast IP mobility supported scenarios are focused, emphasizing their application over di erent access technologies. The suggested changes are applicable to mobile or static user scenarios, whether it performs the role of receiver or source of the video tra c. Similarly, the de ned mechanisms propose solutions targeting operators with di erent video broadcasting goals, or whose networks have di erent characteristics. The pursued methodology combined an experimental evaluation executed over physical testbeds, with the mathematical evaluation using network simulation, allowing the veri cation of its impact on the optimization of video reception in mobile terminalsA evolução veri cada nas características dos dispositivos moveis (capacidade de armazenamento, resolução do ecrã, processador, etc.) durante os últimos anos levou a uma alteração signi cativa nos comportamentos dos utilizadores, sendo agora comum o consumo e produção de conteúdos multimédia envolvendo terminais móveis, em particular o tráfego vídeo. Consequentemente, as redes de operador móvel, embora tendo também sido alvo constante de evoluções arquitecturais e melhorias em vários parâmetros (tais como capacidade, ritmo de transmissão/recepção, entre outros), vêemse cada vez mais frequentemente desa adas por aspectos de desempenho associados à natureza do tráfego de vídeo, seja pela exigência de requisitos associados a esse serviço, quer pelo aumento do volume do mesmo nesse tipo de redes. Esta Tese propôe alterações à arquitetura móvel para a disseminação de vídeo mais e ciente, de nindo e desenvolvendo mecanismos aplicáveis à rede, ou ao utilizador móvel. Em particular, são focados cenários suportados por IP multicast em redes móveis heterogéneas, isto é, com ênfase na aplicação destes mecanismos sobre diferentes tecnologias de acesso. As alterações sugeridas aplicam-se a cenários de utilizador estático ou móvel, sendo este a fonte ou receptor do tráfego vídeo. Da mesma forma, são propostas soluções tendo em vista operadores com diferentes objectivos de disseminação de vídeo, ou cujas redes têm diferentes características. A metodologia utilizada combinou a avaliação experimental em testbeds físicas com a avaliação matemática em simulações de redes, e permitiu veri car o impacto sobre a optimização da recepção de vídeo em terminais móveisPrograma Doutoral em Telecomunicaçõe

Interoperabilidade e mobilidade na internet do futuro

Research on Future Internet has been gaining traction in recent years, with both evolutionary (e.g., Software Defined Networking (SDN)- based architectures) and clean-slate network architectures (e.g., Information Centric Networking (ICN) architectures) being proposed. With each network architectural proposal aiming to provide better solutions for specific Internet utilization requirements, an heterogeneous Future Internet composed by several architectures can be expected, each targeting and optimizing different use case scenarios. Moreover, the increasing number of mobile devices, with increasing capabilities and supporting different connectivity technologies, are changing the patterns of traffic exchanged in the Internet. As such, this thesis focuses on the study of interoperability and mobility in Future Internet architectures, two key requirements that need to be addressed for the widely adoption of these network architectures. The first contribution of this thesis is an interoperability framework that, by enabling resources to be shared among different network architectures, avoids resources to be restricted to a given network architecture and, at the same time, promotes the initial roll out of new network architectures. The second contribution of this thesis consists on the development of enhancements for SDN-based and ICN network architectures through IEEE 802.21 mechanisms to facilitate and optimize the handover procedures on those architectures. The last contribution of this thesis is the definition of an inter-network architecture mobility framework that enables MNs to move across access network supporting different network architectures without losing the reachability to resources being accessed. All the proposed solutions were evaluated with results highlighting the feasibility of such solutions and the impact on the overall communication.A Internet do Futuro tem sido alvo de vários estudos nos últimos anos, com a proposta de arquitecturas de rede seguindo quer abordagens evolutionárias (por exemplo, Redes Definidas por Software (SDN)) quer abordagens disruptivas (por exemplo, Redes Centradas na Informação (ICN)). Cada uma destas arquitecturas de rede visa providenciar melhores soluções relativamente a determinados requisitos de utilização da Internet e, portanto, uma Internet do Futuro heterogénea composta por diversas arquitecturas de rede torna-se uma possibilidade, onde cada uma delas é usada para optimizar diferentes casos de utilização. Para além disso, o aumento do número de dispositivos móveis, com especificações acrescidas e com suporte para diferentes tecnologias de conectividade, está a mudar os padrões do tráfego na Internet. Assim, esta tese foca-se no estudo de aspectos de interoperabilidade e mobilidade em arquitecturas de rede da Internet do Futuro, dois importantes requisitos que necessitam de ser satisfeitos para que a adopção destas arquitecturas de rede seja considerada. A primeira contribuição desta tese é uma solução de interoperabilidade que, uma vez que permite que recursos possam ser partilhados por diferentes arquitecturas de rede, evita que os recursos estejam restringidos a uma determinada arquitectura de rede e, ao mesmo tempo, promove a adopção de novas arquitecturas de rede. A segunda contribuição desta tese consiste no desenvolvimento de extensões para arquitecturas de rede baseadas em SDN ou ICN através dos mecanismos propostos na norma IEEE 802.21 com o objectivo de facilitar e optimizar os processos de mobilidade nessas arquitecturas de rede. Finalmente, a terceira contribuição desta tese é a definição de uma solução de mobilidade envolvendo diferentes arquitecturas de rede que permite a mobilidade de dispositivos móveis entre redes de acesso que suportam diferentes arquitecturas de rede sem que estes percam o acesso aos recursos que estão a ser acedidos. Todas as soluções propostas foram avaliadas com os resultados a demonstrar a viabilidade de cada uma das soluções e o impacto que têm na comunicação.Programa Doutoral em Informátic

SCALABLE AND EFFICIENT VERTICAL HANDOVER DECISION ALGORITHMS IN VEHICULAR NETWORK CONTEXTS

A finales de los años noventa, y al comienzo del nuevo milenio, las redes inalámbricas han evolucionado bastante, pasando de ser sólo una tecnología prometedora para convertirse en un requisito para las actividades cotidianas en las sociedades desarrolladas. La infraestructura de transporte también ha evolucionado, ofreciendo comunicación a bordo para mejorar la seguridad vial y el acceso a contenidos de información y entretenimiento. Los requisitos de los usuarios finales se han hecho dependientes de la tecnología, lo que significa que sus necesidades de conectividad han aumentado debido a los diversos requisitos de las aplicaciones que se ejecutan en sus dispositivos móviles, tales como tabletas, teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles o incluso ordenadores de abordo (On-Board Units (OBUs)) dentro de los vehículos. Para cumplir con dichos requisitos de conectividad, y teniendo en cuenta las diferentes redes inalámbricas disponibles, es necesario adoptar técnicas de Vertical Handover (VHO) para cambiar de red de forma transparente y sin necesidad de intervención del usuario. El objetivo de esta tesis es desarrollar algoritmos de decisión (Vertical Handover Decision Algorithms (VHDAs)) eficientes y escalables, optimizados para el contexto de las redes vehiculares. En ese sentido se ha propuesto, desarrollado y probado diferentes algoritmos de decisión basados en la infraestructura disponible en las actuales, y probablemente en las futuras, redes inalámbricas y redes vehiculares. Para ello se han combinado diferentes técnicas, métodos computacionales y modelos matemáticos, con el fin de garantizar una conectividad apropiada, y realizando el handover hacia las redes más adecuadas de manera a cumplir tanto con los requisitos de los usuarios como los requisitos de las aplicaciones. Con el fin de evaluar el contexto, se han utilizado diferentes herramientas para obtener información variada, como la disponibilidad de la red, el estado de la red, la geolocalizaciónMárquez Barja, JM. (2012). SCALABLE AND EFFICIENT VERTICAL HANDOVER DECISION ALGORITHMS IN VEHICULAR NETWORK CONTEXTS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17869Palanci

Mobility management across converged IP-based heterogeneous access networks

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University, 8/2/2010.In order to satisfy customer demand for a high performance “global” mobility service, network operators (ISPs, carriers, mobile operators, etc.) are facing the need to evolve to a converged “all-IP” centric heterogeneous access infrastructure. However, the integration of such heterogeneous access networks (e.g. 802.11, 802.16e, UMTS etc) brings major mobility issues. This thesis tackles issues plaguing existing mobility management solutions in converged IP-based heterogeneous networks. In order to do so, the thesis firstly proposes a cross-layer mechanism using the upcoming IEEE802.21 MIH services to make intelligent and optimized handovers. In this respect, FMIPv6 is integrated with the IEEE802.21 mechanism to provide seamless mobility during the overall handover process. The proposed solution is then applied in a simulated vehicular environment to optimize the NEMO handover process. It is shown through analysis and simulations of the signalling process that the overall expected handover (both L2 and L3) latency in FMIPv6 can be reduced by the proposed mechanism by 69%. Secondly, it is expected that the operator of a Next Generation Network will provide mobility as a service that will generate significant revenues. As a result, dynamic service bootstrapping and authorization mechanisms must be in place to efficiently deploy a mobility service (without static provisioning), which will allow only legitimate users to access the service. A GNU Linux based test-bed has been implemented to demonstrate this. The experiments presented show the handover performance of the secured FMIPv6 over the implemented test-bed compared to plain FMIPv6 and MIPv6 by providing quantitative measurements and results on the quality of experience perceived by the users of IPv6 multimedia applications. The results show the inclusion of the additional signalling of the proposed architecture for the purpose of authorization and bootstrapping (i.e. key distribution using HOKEY) has no adverse effect on the overall handover process. Also, using a formal security analysis tool, it is shown that the proposed mechanism is safe/secure from the induced security threats. Lastly, a novel IEEE802.21 assisted EAP based re-authentication scheme over a service authorization and bootstrapping framework is presented. AAA based authentication mechanisms like EAP incur signalling overheads due to large RTTs. As a result, overall handover latency also increases. Therefore, a fast re-authentication scheme is presented which utilizes IEEE802.21 MIH services to minimize the EAP authentication process delays and as a result reduce the overall handover latency. Analysis of the signalling process based on analytical results shows that the overall handover latency for mobility protocols will be approximately reduced by 70% by the proposed scheme

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