A Virtual PEP for Web Optimization over a Satellite-Terrestrial Backhaul

The availability of network softwarization and virtualization technology in the field of telecommunications has opened the door to a radical review of the applications, protocols, and deployment models. In this evolving framework, old assumptions and constraints specific to satellite communications must be carefully re-assessed. To this aim, we revisit the role of the performance enhancing proxy (PEP), replaced by a chain of custom virtual network functions properly enabled to optimize common web traffic performance over a backhaul dynamically enabled with a supplementary satellite link. The resulting virtual PEP (vPEP) is compliant with the breakthrough virtualization and slicing paradigms and can fruitfully exploit the advanced features of the most recent IETF technologies such as QUIC and MPTCP

A REVIEW STUDY OF EUROPEAN R&D PROJECTS FOR SATELLITE COMMUNICATIONS IN 5G/6G ERA

Κατά τις τελευταίες δεκαετίες τα δορυφορικά συστήματα τηλεπικοινωνιών έχουν προσφέρει μια γκάμα από πολυμεσικές υπηρεσίες όπως δορυφορική τηλεόραση, δορυφορική τηλεφωνία και ευρυζωνική πρόσβαση στο διαδίκτυο. Οι μακροπρόθεσμες τεχνολογικές αναβαθμίσεις σε συνδυασμό με την προσθήκη νέων δορυφορικών συστημάτων γεωστατικής και ελλειπτικής τροχιάς και με την ενσωμάτωση τεχνολογιών πληροφορικής έχουν ωθήσει την αύξηση του μέγιστου εύρους των δορυφόρων στο 1Gbps σε μεμονωμένους δορυφόρους ενώ σε διάταξη αστερισμού μπορούν να ξεπεράσουν το 1 Tbps. Σε συνδυασμό με την μείωση του χρόνου απόκρισης σε ρυθμούς ανταγωνιστικούς με τις χερσαίες υποδομές ανοίγουν νέες ευκαιρίες και νέους ρόλους εντός ενός οικοσυστήματος ετερογενούς δικτύων 5ης γενιάς. Σε αυτήν την διατριβή, αξιολογούμε επιδοτούμενα επιστημονικά προγράμματα έρευνας και ανάπτυξης της Ευρωπαϊκής Επιτροπής Διαστήματος (ESA) και του προγράμματος επιδότησης Horizon 2020 της Ευρωπαϊκής Ένωσης, προκειμένου να εξηγήσουμε τις δυνατότητες των δορυφόρων εντός ενός ετερογενούς δικτύου 5ης γενιάς, αναφέρουμε συγκεκριμένα αυτά που αφορούν την εξέλιξη των δορυφορικών ψηφιακών συστημάτων και την ικανότητα ενσωμάτωσης τους σε τωρινές αλλά και μελλοντικές υποδομές χερσαίων τηλεπικοινωνιακών δικτύων μέσω της εμφάνισης νέων τεχνολογιών στις ηλεκτρονικές και οπτικές επικοινωνίες αέρος μαζί με την εμφάνιση τεχνολογιών πληροφορικής όπως της δικτύωσης βασισμένης στο λογισμικό και της εικονικοποίησης λειτουργιών δικτύου. Αναφερόμαστε στους στόχους του κάθε project ξεχωριστά και κατηγοριοποιημένα στους ακόλουθους τομείς έρευνας: -Συσσωμάτωση των δορυφόρων με τα επίγεια δίκτυα 5ης γενιάς με οργανωμένες μελέτες και στρατηγικές -Ενσωμάτωση των τεχνολογιών δικτύωσης βασισμένης στο λογισμικό και εικονικοποίησης λειτουργιών δικτύου στο δορυφορικών τμήμα των δικτύων 5ης γενιάς -Ο ρόλος των δορυφόρων σε εφαρμογές του διαδικτύου των πραγμάτων σε συνάφεια με τα χερσαία δίκτυα 5ης γενιάς -Ο ρόλος των δορυφόρων στην δίκτυα διανομής πολυμεσικού περιεχομένου & η επιρροή των πρωτοκόλλων διαδικτύου στην ποιότητα υπηρεσίας χρήστη κατά την διάρκεια μιας δορυφορικής σύνδεσης. -Μελλοντικές βελτιώσεις και εφαρμογές στα δορυφορικά συστήματα με έμφαση στα μελλοντικά πρότυπα του φυσικό επιπέδου Στο τέλος διαθέτουμε ένα παράρτημα που αφορά τεχνικές αναλύσεις στην εξέλιξη του φυσικού επιπέδου των δορυφορικών συστημάτων, συνοδευόμενο με την συσχετιζόμενη βιβλιογραφία για περαιτέρω μελέτη.Over the last decades satellite telecommunication systems offer many types of multimedia services like Satellite TV, telephony and broadband internet access. The long-term technological evolutions occurred into state-of-the-art satellite systems altogether with the addition of new high throughput geostatic and non-geostatic systems, individual satellites can now achieve a peak bandwidth of up to Gbps, and with possible extension into satellite constellation systems the total capacity can reach up to Tbps. Supplementary, with systems latency being comparable to terrestrial infrastructures and with integration of several computer science technologies, satellite systems can achieve new & more advanced roles inside a heterogeneous 5G network’s ecosystem. In this thesis, we have studied European Space Agency (ESA’s) and European Union’s (EU) Horizon 2020 Research and Development (R&D) funded projects in order to describe the satellite capabilities within a 5G heterogeneous network, mentioning the impact of the evolution of digital satellite communications and furthermore the integration with the state-of the art & future terrain telecommunication systems by new technologies occurred through the evolution of electronic & free space optical communications alongside with the integration of computer science’s technologies like Software Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV). In order to describe this evolution we have studied the concepts of each individual project, categorized chronically and individual by its scientific field of research. Our main scientific trends for this thesis are: -Satellite Integration studies & strategies into the 5G terrestrial networks -Integration of SDN and NFV technologies on 5G satellite component -Satellite’s role in the Internet of Things applications over 5G terrestrial networks -Satellite’s role in Content Distribution Networks & internet protocols impact over user’s Quality of Experience (QoE) over a satellite link -The future proposals upon the evolution of Satellite systems by upcoming improvements and corresponding standards Finally, we have created an Annex for technical details upon the evolution of physical layer of the satellite systems with the corresponding bibliography of this thesis for future study

Satellite integration in 5G : contribution on network architectures and traffic engineering solutions for hybrid satellite-terrestrial mobile backhauling

The recent technological advances in the satellite domain such as the use of High Throughput Satellites (HTS) with throughput rates that are magnitudes higher than with previous ones, or the use of large non- Geostationary Earth Orbit (GEO) satellites constellations, etc, are reducing the price per bit and enhancing the Quality of Service (QoS) metrics such as latency, etc., changing the way that the capacity is being brought to the market and making it more attractive for other services such as satellite broadband communications. These new capabilities coupled with the advantages offered by satellite communications such as the unique wide-scale geographical coverage, inherent broadcast/multicast capabilities and highly reliable connectivity, anticipate new opportunities for the integration of the satellite component into the 5G ecosystem. One of the most compelling scenarios is mobile backhauling, where satellite capacity can be used to complement the terrestrial backhauling infrastructure, not only in hard to reach areas, but also for more efficient traffic delivery to Radio Access Network (RAN) nodes, increased resiliency and better support for fast, temporary cell deployments and moving cells. In this context, this thesis work focuses on achieving better satellite-terrestrial backhaul network integration through the development of Traffic Engineering (TE) strategies to manage in a better way the dynamically steerable satellite provisioned capacity. To do this, this thesis work first takes the steps in the definition of an architectural framework that enables a better satellite-terrestrial mobile backhaul network integration, managing the satellite capacity as a constituent part of a Software Defined Networking (SDN) -based TE for mobile backhaul network. Under this basis, this thesis work first proposes and assesses a model for the analysis of capacity and traffic management strategies for hybrid satellite-terrestrial mobile backhauling networks that rely on SDN for fine-grained traffic steering. The performance analysis is carried out in terms of capacity gains that can be achieved when the satellite backhaul capacity is used for traffic overflow, taking into account the placement of the satellite capacity at different traffic aggregation levels and considering a spatial correlation of the traffic demand. Later, the thesis work presents the development of SDN-based TE strategies and algorithms that exploits the dynamically steerable satellite capacity provisioned for resilience purposes to better utilize the satellite capacity by maximizing the network utility under both failure and non-failure conditions in some terrestrial links, under the consideration of elastic, inelastic and unicast and multicast traffic. The performance analysis is carried out in terms of global network utility, fairness and connexion rejection rates compared to non SDN-based TE applications. Finally, sustained in the defined architectural framework designs, the thesis work presents an experimental Proof of Concept (PoC) and validation of a satellite-terrestrial backhaul links integration solution that builts upon SDN technologies for the realization of End-to-End (E2E) TE applications in mobile backhauling networks with a satellite component, assessing the feasibility of the proposed SDN-based integration solution under a practical laboratory setting that combines the use of commercial, experimentation-oriented and emulation equipment and software.Los recientes avances tecnológicos en el dominio de los satélites, como el uso de satélites de alto rendimiento (HTS) con tasas de rendimiento que son magnitudes más altas que los anteriores, o el uso de grandes constelaciones de satélites de órbita no geoestacionaria (GEO), etc. están reduciendo el precio por bit y mejorando las métricas de Calidad de Servicio (QoS) como la latencia, etc., cambiando la forma en que la capacidad se está llevando al mercado, y haciéndola más atractiva para otros servicios como las comunicaciones de banda ancha por satélite. Estas nuevas capacidades, junto con las ventajas ofrecidas por las comunicaciones por satélite, como la cobertura geográfica a gran escala, las inherentes capacidades de difusión / multidifusión y la conectividad altamente confiable, anticipan nuevas oportunidades para la integración de la componente satelital al ecosistema 5G. Uno de los escenarios más atractivos es el backhauling móvil, donde la capacidad del satélite se puede usar para complementar la infraestructura de backhauling terrestre, no solo en áreas de difícil acceso, sino también para la entrega de tráfico de manera más eficiente a los nodos de la Red de Acceso (RAN), una mayor resiliencia y mejor soporte para implementaciones rápidas y temporales de células, así como células en movimiento. En este contexto, este trabajo de tesis se centra en lograr una mejor integración de la red híbrida de backhaul satélital-terrestre, a través del desarrollo de estrategias de ingeniería de tráfico (TE) para gestionar de una mejor manera la capacidad dinámicamente orientable del satélite. Para hacer esto, este trabajo de tesis primero toma los pasos en la definición de un marco de arquitectura que permite una mejor integración de una red híbrida satelital-terrestre de backhaul móvil, gestionando la capacidad del satélite como parte constitutiva de un TE basado en Software Defined Networking (SDN). Bajo esta base, este trabajo de tesis primero propone y evalúa un modelo para el análisis de la capacidad y las estrategias de gestión del tráfico para redes híbridas satelital-terrestre de backhaul móvil basadas en SDN para la dirección de tráfico. El análisis de rendimiento se lleva a cabo en términos de aumento de capacidad que se puede lograr cuando la capacidad de la red de backhaul por satélite se utiliza para el desborde de tráfico, teniendo en cuenta la ubicación de la capacidad del satélite en diferentes niveles de agregación de tráfico y considerando una correlación espacial de la demanda de tráfico. Posteriormente, el trabajo de tesis presenta el desarrollo de estrategias y algoritmos de TE basados en SDN que explotan la capacidad dinámicamente orientable del satelite, provista con fines de resiliencia para utilizar de mejor manera la capacidad satelital al maximizar la utilidad de red en condiciones de falla y no falla en algunos enlaces terrestres, y bajo la consideración de tráfico elástico, inelástico y de unidifusión y multidifusión. El análisis de rendimiento se lleva a cabo en términos de tasas de rechazo, de utilidad, y equidad en comparación con las aplicaciones de TE no basadas en SDN. Finalmente, basado en la definición del diseño de marco de arquitectura, el trabajo de tesis presenta una Prueba de concepto (PoC) experimental y la validación de una solución de integración de enlaces de backhaul satelital-terrestre que se basa en las tecnologías SDN para la realización de aplicaciones de TE de extremo a extremo (E2E) en redes de backhaul móviles, evaluando la viabilidad de la solución propuesta de integración basada en SDN en un entorno práctico de laboratorio que combina el uso de equipos y software comerciales, orientados a la experimentación y emulación.Postprint (published version

ResTP: A Configurable and Adaptable Multipath Transport Protocol for Future Internet Resilience

Motivated by the shortcomings of common transport protocols, e.g., TCP, UDP, and MPTCP, in modern networking and the belief that a general-purpose transport-layer protocol, which can operate efficiently over diverse network environments while being able to provide desired services for various application types, we design a new transport protocol, ResTP. The rapid advancement of networking technology and use paradigms is continually supporting new applications. The configurable and adaptable multipath-capable ResTP is not only distinct from the standard protocols by its flexibility in satisfying the requirements of different traffic classes considering the characteristics of the underlying networks, but by its emphasis on providing resilience. Resilience is an essential property that is unfortunately missing in the current Internet. In this dissertation, we present the design of ResTP, including the services that it supports and the set of algorithms that implement each service. We also discuss our modular implementation of ResTP in the open-source network simulator ns-3. Finally, the protocol is simulated under various network scenarios, and the results are analyzed in comparison with conventional protocols such as TCP, UDP, and MPTCP to demonstrate that ResTP is a promising new transport-layer protocol providing resilience in the Future Internet (FI)

Architecture réseau pour véhicule de transport en commun communiquant

Avec la démocratisation des appareils mobiles, les transports en commun sont amenés à proposer de nouveaux services à leur usagers et notamment une connexion à Internet. Le véhicule de transport en commun agit alors comme un routeur mobile fournissant une connexion fiable à ses nœuds et doit pour cela être connecté en permanence à un point d'accès. Les zones de couverture étant limitées par les technologies utilisées et par les obstacles, des changements de réseaux sont alors nécessaires et provoquant différents évènements pouvant impacter les performances des protocoles de Transport : introduction de latences dues à la configuration des interfaces, modification des caractéristiques du chemin utilisé par la communication.. Dans cette thèse nous étudions cet impact en déterminant son origine puis nous proposons des solutions visant à le réduire de deux manières : en réduisant les latences introduites par le changement de réseau et en diminuant l'impact de la modification des caractéristiques du réseau.With the growing popularity of mobile devices, Public Transport will have to evolve and will have to introduce new services to customers, like an Internet connection onboard for example. The vehicle will act as a mobile router providing its nodes with a reliable connection and therefore will be forced to stay connected to an access point at any time. Since network coverage area is restricted depending on communication technology and environment, performing handovers is mandatory, leading to network events affecting Transport protocols efficiency: latencies are introduced by network configuration, network parameters are changed brutally. This thesis studies such impact by focusing on its source before giving solutions aiming at lowering handover impact. Two means were chosen: lowering latencies introduced by network configuration and avoiding network parameters modification impact on Transport protocols