Resource management in cable access networks

Een kabelnetwerk is tegenwoordig niet meer alleen een medium waarover analoge TV-signalen vanuit een centraal punt, kopstation genaamd, naar de aangesloten huizen worden gestuurd. Sinds enkele jaren is het mogelijk om thuis data digitaal te versturen en te ontvangen. Deze data gaat via een kabelmodem thuis en het kopstation, dat in verbinding staat met andere netwerken. Op deze wijze zijn kabelnetwerken onderdeel geworden van het wereldwijde Internet en kunnen computers thuis hier mee verbonden worden. Door aan zo’n kopstation een digitaal videosysteem met duizenden films te koppelen, ontstaat er de mogelijkheid een video-op-verzoek dienst aan te bieden: Via de computer of zelfs de TV thuis kunnen films worden besteld en direct bekeken, of worden opgeslagen in de computer. Om dit te bewerkstelligen is meer nodig dan alleen een netwerk: Voor de transmissie van video data dient er zorg voor te worden gedragen dat deze zonder hinderende interrupties kan geschieden, omdat dergelijke gebeurtenissen door de gebruiker direct te zien zijn in de vorm van een stilstaand of zwart beeld. Verder is ook de reactiesnelheid van het systeem van belang voor het ondersteunen van operaties door de gebruiker, zoals het bestellen van een film, maar ook het vooruit- of terugspoelen, pauzeren, enzovoorts. Binnen deze context beschrijven en analyseren we in dit proefschrift zes problemen. Vier daarvan houden verband met de transmissie van data over het kabelnetwerk en de overige twee houden verband met het opslaan van video data op een harde schijf. In twee van de vier problemen uit de eerste categorie analyseren we de vertraging die data ondervindt wanneer die vanuit een modem wordt gestuurd naar het kopstation. Deze vertraging bepaalt met name de reactiesnelheid van het systeem. Karakteristiek voor dataverkeer in deze richting is dat pakketten van verschillende modems tegelijkertijd mogen worden verstuurd en daardoor verloren gaan. Met name de vereiste hertransmissies zorgen voor vertraging. Meer concreet beschouwen we een variant op het bekende ALOHA protocol, waarbij we uitgaan van een kanaalmodel dat afwijkt van het conventionele model. Het afwijkende model is van toepassing wanneer een modem een eerste contact probeert te leggen met het kopstation na te zijn opgestart. Met name na een stroomuitval, wanneer een groot aantal modems tegelijkertijd opnieuw opstart, kunnen de vertragingen aanzienlijk zijn. Daarnaast beschouwen we modems tijdens normale operatie en analyseren wij de verbetering in vertraging wanneer pakketten die vanuit ´e´en modem moeten worden verstuurd, worden verpakt in een groter pakket. In beide studies worden wiskundige resultaten vergeleken met simulaties die re¨ele situaties nabootsen. In de andere twee van de vier problemen richten wij ons op de transmissie van video data in de andere richting, namelijk van het kopstation naar de modems. Hierbij spelen stringente tijdsrestricties een voorname rol, zoals hierboven reeds is beschreven. Meer specifiek presenteren we een planningsalgoritme dat pakketten voor een aantal gebruikers op een kanaal zodanig na elkaar verstuurt dat de variatie in de vertraging die de verschillende pakketten ondervinden, minimaal is. Op deze wijze wordt zo goed mogelijk een continue stroom van data gerealiseerd die van belang is voor het probleemloos kunnen bekijken van een film. Daarnaast analyseren we een bestaand algoritme om een film via een aantal kanalen periodiek naar de aangesloten huizen te versturen. In dit geval ligt de nadruk op de wachttijd die een gebruiker ondervindt na het bestellen van een film. In deze analyse onderbouwen we een in het algoritme gebruikte heuristiek en brengen hierin verdere verbeteringen aan. Daarnaast bewijzen we dat het algoritme asymptotisch optimaal is, iets dat reeds langer werd aangenomen, maar nooit rigoreus bewezen was. Bij de laatste twee problemen, die verband houden met het opslaan van video data op een harde schijf, analyseren we hoe deze data zodanig kan worden opgeslagen dat die er nadien efficient van kan worden teruggelezen. In het ene probleem beschouwen we een bestaand planningsalgoritme om pakketten van verschillende videostromen naar een harde schijf te schrijven en passen dit aan om ervoor te zorgen dat het teruglezen van de stroom met bijvoorbeeld een andere pakketgrootte mogelijk wordt zonder daarbij de schijf onnodig te belasten. In het andere probleem analyseren we hoe we effectief gebruik kunnen maken van het gegeven dat data aan de buitenkant van de schijf sneller gelezen kan worden dan aan de binnenkant. We bewijzen dat het probleem van het zo efficient mogelijk opslaan van een gegeven aantal video files NPlastig is en presenteren een eenvoudige heuristiek die, hoewel voor bijzondere instanties een bewijsbaar slechte prestatie levert, in de praktijk in het algemeen goede prestaties levert. Hierbij maken we met name gebruik van het verschil in populariteit van de verschillende films

New Challenges in Quality of Services Control Architectures in Next Generation Networks

A mesura que Internet i les xarxes IP s'han anat integrant dins la societat i les corporacions, han anat creixent les expectatives de nous serveis convergents així com les expectatives de qualitat en les comunicacions. Les Next Generation Networks (NGN) donen resposta a les noves necessitats i representen el nou paradigma d'Internet a partir de la convergència IP. Un dels aspectes menys desenvolupats de les NGN és el control de la Qualitat del Servei (QoS), especialment crític en les comunicacions multimèdia a través de xarxes heterogènies i/o de diferents operadors. A més a més, les NGN incorporen nativament el protocol IPv6 que, malgrat les deficiències i esgotament d'adreces IPv4, encara no ha tingut l'impuls definitiu.Aquesta tesi està enfocada des d'un punt de vista pràctic. Així doncs, per tal de poder fer recerca sobre xarxes de proves (o testbeds) que suportin IPv6 amb garanties de funcionament, es fa un estudi en profunditat del protocol IPv6, del seu grau d'implementació i dels tests de conformància i interoperabilitat existents que avaluen la qualitat d'aquestes implementacions. A continuació s'avalua la qualitat de cinc sistemes operatius que suporten IPv6 mitjançant un test de conformància i s'implementa el testbed IPv6 bàsic, a partir del qual es farà la recerca, amb la implementació que ofereix més garanties.El QoS Broker és l'aportació principal d'aquesta tesi: un marc integrat que inclou un sistema automatitzat per gestionar el control de la QoS a través de sistemes multi-domini/multi-operador seguint les recomanacions de les NGN. El sistema automatitza els mecanismes associats a la configuració de la QoS dins d'un mateix domini (sistema autònom) mitjançant la gestió basada en polítiques de QoS i automatitza la negociació dinàmica de QoS entre QoS Brokers de diferents dominis, de forma que permet garantir QoS extrem-extrem sense fissures. Aquesta arquitectura es valida sobre un testbed de proves multi-domini que utilitza el mecanisme DiffServ de QoS i suporta IPv6.L'arquitectura definida en les NGN permet gestionar la QoS tant a nivell 3 (IP) com a nivell 2 (Ethernet, WiFi, etc.) de forma que permet gestionar també xarxes PLC. Aquesta tesi proposa una aproximació teòrica per aplicar aquesta arquitectura de control, mitjançant un QoS Broker, a les noves xarxes PLC que s'estan acabant d'estandarditzar, i discuteix les possibilitats d'aplicació sobre les futures xarxes de comunicació de les Smart Grids.Finalment, s'integra en el QoS Broker un mòdul per gestionar l'enginyeria del tràfic optimitzant els dominis mitjançant tècniques de intel·ligència artificial. La validació en simulacions i sobre un testbed amb routers Cisco demostra que els algorismes genètics híbrids són una opció eficaç en aquest camp.En general, les observacions i avenços assolits en aquesta tesi contribueixen a augmentar la comprensió del funcionament de la QoS en les NGN i a preparar aquests sistemes per afrontar problemes del món real de gran complexitat.A medida que Internet y las redes IP se han ido integrando dentro de la sociedad y las corporaciones, han ido creciendo las expectativas de nuevos servicios convergentes así como las expectativas de calidad en las comunicaciones. Las Next Generation Networks (NGN) dan respuesta a las nuevas necesidades y representan el nuevo paradigma de Internet a partir de la convergencia IP. Uno de los aspectos menos desarrollados de las NGN es el control de la Calidad del Servicio (QoS), especialmente crítico en las comunicaciones multimedia a través de redes heterogéneas y/o de diferentes operadores. Además, las NGN incorporan nativamente el protocolo IPv6 que, a pesar de las deficiencias y agotamiento de direcciones IPv4, aún no ha tenido el impulso definitivo.Esta tesis está enfocada desde un punto de vista práctico. Así pues, con tal de poder hacer investigación sobre redes de prueba (o testbeds) que suporten IPv6 con garantías de funcionamiento, se hace un estudio en profundidad del protocolo IPv6, de su grado de implementación y de los tests de conformancia e interoperabilidad existentes que evalúan la calidad de estas implementaciones. A continuación se evalua la calidad de cinco sistemas operativos que soportan IPv6 mediante un test de conformancia y se implementa el testbed IPv6 básico, a partir del cual se realizará la investigación, con la implementación que ofrece más garantías.El QoS Broker es la aportación principal de esta tesis: un marco integrado que incluye un sistema automatitzado para gestionar el control de la QoS a través de sistemas multi-dominio/multi-operador siguiendo las recomendaciones de las NGN. El sistema automatiza los mecanismos asociados a la configuración de la QoS dentro de un mismo dominio (sistema autónomo) mediante la gestión basada en políticas de QoS y automatiza la negociación dinámica de QoS entre QoS brokers de diferentes dominios, de forma que permite garantizar QoS extremo-extremo sin fisuras. Esta arquitectura se valida sobre un testbed de pruebas multi-dominio que utiliza el mecanismo DiffServ de QoS y soporta IPv6. La arquitectura definida en las NGN permite gestionar la QoS tanto a nivel 3 (IP) o como a nivel 2 (Ethernet, WiFi, etc.) de forma que permite gestionar también redes PLC. Esta tesis propone una aproximación teórica para aplicar esta arquitectura de control, mediante un QoS Broker, a las noves redes PLC que se están acabando de estandardizar, y discute las posibilidades de aplicación sobre las futuras redes de comunicación de las Smart Grids.Finalmente, se integra en el QoS Broker un módulo para gestionar la ingeniería del tráfico optimizando los dominios mediante técnicas de inteligencia artificial. La validación en simulaciones y sobre un testbed con routers Cisco demuestra que los algoritmos genéticos híbridos son una opción eficaz en este campo.En general, las observaciones y avances i avances alcanzados en esta tesis contribuyen a augmentar la comprensión del funcionamiento de la QoS en las NGN y en preparar estos sistemas para afrontar problemas del mundo real de gran complejidad.The steady growth of Internet along with the IP networks and their integration into society and corporations has brought with it increased expectations of new converged services as well as greater demands on quality in communications. The Next Generation Networks (NGNs) respond to these new needs and represent the new Internet paradigm from the IP convergence. One of the least developed aspects in the NGNs is the Quality of Service (QoS) control, which is especially critical in the multimedia communication through heterogeneous networks and/or different operators. Furthermore, the NGNs natively incorporate the IPv6 protocol which, despite its shortcomings and the depletion of IPv4 addresses has not been boosted yet.This thesis has been developed with a practical focus. Therefore, with the aim of carrying out research over testbeds supporting the IPv6 with performance guarantees, an in-depth study of the IPv6 protocol development has been conducted and its degree of implementation and the existing conformance and interoperability tests that evaluate these implementations have been studied. Next, the quality of five implementations has been evaluated through a conformance test and the basic IPv6 testbed has been implemented, from which the research will be carried out. The QoS Broker is the main contribution to this thesis: an integrated framework including an automated system for QoS control management through multi-domain/multi-operator systems according to NGN recommendations. The system automates the mechanisms associated to the QoS configuration inside the same domain (autonomous system) through policy-based management and automates the QoS dynamic negotiation between peer QoS Brokers belonging to different domains, so it allows the guarantee of seamless end-to-end QoS. This architecture is validated over a multi-domain testbed which uses the QoS DiffServ mechanism and supports IPv6.The architecture defined in the NGN allows QoS management at level 3 (IP) as well as at level 2 (e.g. Ethernet, WiFi) so it also facilitates the management of PLC networks. Through the use of a QoS Broker, this thesis proposes a theoretical approach for applying this control architecture to the newly standardized PLC networks, and discusses the possibilities of applying it over the future communication networks of the Smart Grids.Finally, a module for managing traffic engineering which optimizes the network domains through artificial intelligence techniques is integrated in the QoS Broker. The validations by simulations and over a Cisco router testbed demonstrate that hybrid genetic algorithms are an effective option in this area.Overall, the advances and key insights provided in this thesis help advance our understanding of QoS functioning in the NGNs and prepare these systems to face increasingly complex problems, which abound in current industrial and scientific applications

A high speed fault-tolerant multimedia network and connectionless gateway for ATM networks.

by Patrick Lam Sze Fan.Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 1997.Includes bibliographical references (leaves 163-[170]).Chapter 1 --- Introduction --- p.1Chapter 2 --- Fault-tolerant CUM LAUDE NET --- p.7Chapter 2.1 --- Overview of CUM LAUDE NET --- p.7Chapter 2.2 --- Network architecture of CUM LAUDE NET --- p.8Chapter 2.3 --- Design of Router-node --- p.10Chapter 2.3.1 --- Architecture of the Router-node --- p.10Chapter 2.3.2 --- Buffers Arrangement of the Router-node --- p.12Chapter 2.3.3 --- Buffer transmission policies --- p.13Chapter 2.4 --- Protocols of CUM LAUDE NET --- p.14Chapter 2.5 --- Frame Format of CUM LAUDE NET --- p.15Chapter 2.6 --- Fault-tolerant (FT) and Auto-healing (AH) algorithms --- p.16Chapter 2.6.1 --- Overview of the algorithms --- p.16Chapter 2.6.2 --- Network Failure Scenarios --- p.18Chapter 2.6.3 --- Design and Implementation of the Fault Tolerant Algorithm --- p.19Chapter 2.6.4 --- Design and Implementation of the Auto Healing Algorithm --- p.26Chapter 2.6.5 --- Network Management Signals and Restoration Times --- p.27Chapter 2.6.6 --- Comparison of fault-tolerance features of other networks with the CUM LAUDE NET --- p.31Chapter 2.7 --- Chapter Summary --- p.31Chapter 3 --- Overview of the Asynchronous Transfer Mode (ATM) --- p.33Chapter 3.1 --- Introduction --- p.33Chapter 3.2 --- ATM Network Interfaces --- p.34Chapter 3.3 --- ATM Virtual Connections --- p.35Chapter 3.4 --- ATM Cell Format --- p.36Chapter 3.5 --- ATM Address Formats --- p.36Chapter 3.6 --- ATM Protocol Reference Model --- p.38Chapter 3.6.1 --- The ATM Layer --- p.39Chapter 3.6.2 --- The ATM Adaptation Layer --- p.39Chapter 3.7 --- ATM Signalling --- p.44Chapter 3.7.1 --- ATM Signalling Messages and Call Setup Procedures --- p.45Chapter 3.8 --- Interim Local Management Interface (ILMI) --- p.47Chapter 4 --- Issues of Connectionless Gateway --- p.49Chapter 4.1 --- Introduction --- p.49Chapter 4.2 --- The Issues --- p.50Chapter 4.3 --- ATM Internetworking --- p.51Chapter 4.3.1 --- LAN Emulation --- p.52Chapter 4.3.2 --- IP over ATM --- p.53Chapter 4.3.3 --- Comparing IP over ATM and LAN Emulation --- p.59Chapter 4.4 --- Connection Management --- p.61Chapter 4.4.1 --- The Indirect Approach --- p.62Chapter 4.4.2 --- The Direct Approach --- p.63Chapter 4.4.3 --- Comparing the two approaches --- p.64Chapter 4.5 --- Protocol Conversion --- p.65Chapter 4.5.1 --- Selection of Protocol Converter --- p.68Chapter 4.6 --- Packet Forwarding Modes --- p.68Chapter 4.7 --- Bandwidth Assignment --- p.70Chapter 4.7.1 --- Bandwidth Reservation --- p.71Chapter 4.7.2 --- Fast Bandwidth Reservation --- p.72Chapter 4.7.3 --- Bandwidth Advertising --- p.72Chapter 4.7.4 --- Bandwidth Advertising with Cell Drop Detection --- p.73Chapter 4.7.5 --- Bandwidth Allocation on Source Demand --- p.73Chapter 4.7.6 --- The Common Problems --- p.74Chapter 5 --- Design and Implementation of the Connectionless Gateway --- p.77Chapter 5.1 --- Introduction --- p.77Chapter 5.1.1 --- Functions Definition of Connectionless Gateway --- p.79Chapter 5.2 --- Hardware Architecture of the Connectionless Gateway --- p.79Chapter 5.2.1 --- Imposed Limitations --- p.82Chapter 5.3 --- Software Architecture of the Connectionless Gateway --- p.83Chapter 5.3.1 --- TCP/IP Internals --- p.84Chapter 5.3.2 --- ATM on Linux --- p.85Chapter 5.4 --- Network Architecture --- p.88Chapter 5.4.1 --- IP Addresses Assignment --- p.90Chapter 5.5 --- Internal Structure of Connectionless Gateway --- p.90Chapter 5.5.1 --- Protocol Stacks of the Gateway --- p.90Chapter 5.5.2 --- Gateway Operation by Example --- p.93Chapter 5.5.3 --- Routing Table Maintenance --- p.97Chapter 5.6 --- Additional Features --- p.105Chapter 5.6.1 --- Priority Output Queues System --- p.105Chapter 5.6.2 --- Gateway Performance Monitor --- p.112Chapter 5.7 --- Setup an Operational ATM LAN --- p.117Chapter 5.7.1 --- SVC Connections --- p.117Chapter 5.7.2 --- PVC Connections --- p.119Chapter 5.8 --- Application of the Connectionless Gateway --- p.120Chapter 6 --- Performance Measurement of the Connectionless Gateway --- p.121Chapter 6.1 --- Introduction --- p.121Chapter 6.2 --- Experimental Setup --- p.121Chapter 6.3 --- Measurement Tools of the Experiments --- p.123Chapter 6.4 --- Descriptions of the Experiments --- p.124Chapter 6.4.1 --- Log Files --- p.125Chapter 6.5 --- UDP Control Rate Test --- p.126Chapter 6.5.1 --- Results and analysis of the UDP Control Rate Test --- p.127Chapter 6.6 --- UDP Maximum Rate Test --- p.138Chapter 6.6.1 --- Results and analysis of the UDP Maximum Rate Test --- p.138Chapter 6.7 --- TCP Maximum Rate Test --- p.140Chapter 6.7.1 --- Results and analysis of the TCP Maximum Rate Test --- p.140Chapter 6.8 --- Request/Response Test --- p.144Chapter 6.8.1 --- Results and analysis of the Request/Response Test --- p.144Chapter 6.9 --- Priority Queue System Verification Test --- p.149Chapter 6.9.1 --- Results and analysis of the Priority Queue System Verifi- cation Test --- p.150Chapter 6.10 --- Other Observations --- p.153Chapter 6.11 --- Solutions to Improve the Performance --- p.154Chapter 6.12 --- Future Development --- p.157Chapter 7 --- Conclusion --- p.158Bibliography --- p.163A List of Publications --- p.17

A MAC protocol for IP-based CDMA wireless networks.

Thesis (M.Sc.)-University of KwaZulu-Natal, Durban, 2005.The evolution of the intemet protocol (IP) to offer quality of service (QoS) makes it a suitable core network protocol for next generation networks (NGN). The QoS features incorporated to IP will enable future lP-based wireless networks to meet QoS requirements of various multimedia traffic. The Differentiated Service (Diffserv) Architecture is a promising QoS technology due to its scalability which arises from traffic flow aggregates. For this reason, in this dissertation a network infrastructure based on DiffServ is assumed. This architecture provides assured service (AS) and premium service (PrS) classes in addition to best-effort service (BE). The medium access control (MAC) protocol is one of the important design issues in wireless networks. In a wireless network carrying multimedia traffic, the MAC protocol is required to provide simultaneous support for a wide variety of traffic types, support traffic with delay and jitter bounds, and assign bandwidth in an efficient and fair manner among traffic classes. Several MAC protocols capable of supporting multimedia services have been proposed in the literature, the majority of which were designed for wireless A1M (Asynchronous Transfer Mode). The focus of this dissertation is on time division multiple access and code division multiple access (TDMAlCDMA) based MAC protocols that support QoS in lP-based wireless networks. This dissertation begins by giving a survey of wireless MAC protocols. The survey considers MAC protocols for centralised wireless networks and classifies them according to their multiple access technology and as well as their method of resource sharing. A novel TDMAlCDMA based MAC protocol incorporating techniques from existing protocols is then proposed. To provide the above-mentioned services, the bandwidth is partitioned amongst AS and PrS classes. The BE class utilizes the remaining bandwidth from the two classes because it does not have QoS requirements. The protocol employs a demand assignment (DA) scheme to support traffic from PrS and AS classes. BE traffic is supported by a random reservation access scheme with dual multiple access interference (MAl) admission thresholds. The performance of the protocol, i.e. the AS or PrS call blocking probability, and BE throughput are evaluated through Markov analytical models and Monte-Carlo simulations. Furthermore, the protocol is modified and incorporated into IEEE 802.16 broadband wireless access (BWA) network

Internet of Things and Sensors Networks in 5G Wireless Communications

This book is a printed edition of the Special Issue Internet of Things and Sensors Networks in 5G Wireless Communications that was published in Sensors

Internet of Things and Sensors Networks in 5G Wireless Communications

The Internet of Things (IoT) has attracted much attention from society, industry and academia as a promising technology that can enhance day to day activities, and the creation of new business models, products and services, and serve as a broad source of research topics and ideas. A future digital society is envisioned, composed of numerous wireless connected sensors and devices. Driven by huge demand, the massive IoT (mIoT) or massive machine type communication (mMTC) has been identified as one of the three main communication scenarios for 5G. In addition to connectivity, computing and storage and data management are also long-standing issues for low-cost devices and sensors. The book is a collection of outstanding technical research and industrial papers covering new research results, with a wide range of features within the 5G-and-beyond framework. It provides a range of discussions of the major research challenges and achievements within this topic

Internet of Things and Sensors Networks in 5G Wireless Communications

This book is a printed edition of the Special Issue Internet of Things and Sensors Networks in 5G Wireless Communications that was published in Sensors

Smart network caches : localized content and application negotiated recovery mechanisms for multicast media distribution

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Program in Media Arts & Sciences, 1998.Includes bibliographical references (p. 133-138).by Roger George Kermode.Ph.D