Endpoint-transparent Multipath Transport with Software-defined Networks

Multipath forwarding consists of using multiple paths simultaneously to transport data over the network. While most such techniques require endpoint modifications, we investigate how multipath forwarding can be done inside the network, transparently to endpoint hosts. With such a network-centric approach, packet reordering becomes a critical issue as it may cause critical performance degradation. We present a Software Defined Network architecture which automatically sets up multipath forwarding, including solutions for reordering and performance improvement, both at the sending side through multipath scheduling algorithms, and the receiver side, by resequencing out-of-order packets in a dedicated in-network buffer. We implemented a prototype with commonly available technology and evaluated it in both emulated and real networks. Our results show consistent throughput improvements, thanks to the use of aggregated path capacity. We give comparisons to Multipath TCP, where we show our approach can achieve a similar performance while offering the advantage of endpoint transparency

EFFICIENT BANDWIDTH ESTIMATION MANAGEMENT FOR VOIP CONCURRENT MULTIPATH TRANSFER

Concurrent Multipath Transfer distributes incoming traffic simultaneously between several paths to maximize network resource utilization and to improve quality of service. Voices over IP real time application is more sensitive to delay and requires bandwidth guarantee. In this paper, Efficient Bandwidth Estimation Management for VoIP Concurrent Multipath Transfer is proposed. The proposed technique estimates the bandwidth of each path from a group and selects multiple paths from SCTP multihoming association to transmit VoIP traffic with assured bandwidth guarantees. Simulation results are reported using Ns2 network simulator to show the efficiency of the proposed syste

Exploiting the power of multiplicity: a holistic survey of network-layer multipath

The Internet is inherently a multipath network: For an underlying network with only a single path, connecting various nodes would have been debilitatingly fragile. Unfortunately, traditional Internet technologies have been designed around the restrictive assumption of a single working path between a source and a destination. The lack of native multipath support constrains network performance even as the underlying network is richly connected and has redundant multiple paths. Computer networks can exploit the power of multiplicity, through which a diverse collection of paths is resource pooled as a single resource, to unlock the inherent redundancy of the Internet. This opens up a new vista of opportunities, promising increased throughput (through concurrent usage of multiple paths) and increased reliability and fault tolerance (through the use of multiple paths in backup/redundant arrangements). There are many emerging trends in networking that signify that the Internet's future will be multipath, including the use of multipath technology in data center computing; the ready availability of multiple heterogeneous radio interfaces in wireless (such as Wi-Fi and cellular) in wireless devices; ubiquity of mobile devices that are multihomed with heterogeneous access networks; and the development and standardization of multipath transport protocols such as multipath TCP. The aim of this paper is to provide a comprehensive survey of the literature on network-layer multipath solutions. We will present a detailed investigation of two important design issues, namely, the control plane problem of how to compute and select the routes and the data plane problem of how to split the flow on the computed paths. The main contribution of this paper is a systematic articulation of the main design issues in network-layer multipath routing along with a broad-ranging survey of the vast literature on network-layer multipathing. We also highlight open issues and identify directions for future work

Heterogeneous Access: Survey and Design Considerations

As voice, multimedia, and data services are converging to IP, there is a need for a new networking architecture to support future innovations and applications. Users are consuming Internet services from multiple devices that have multiple network interfaces such as Wi-Fi, LTE, Bluetooth, and possibly wired LAN. Such diverse network connectivity can be used to increase both reliability and performance by running applications over multiple links, sequentially for seamless user experience, or in parallel for bandwidth and performance enhancements. The existing networking stack, however, offers almost no support for intelligently exploiting such network, device, and location diversity. In this work, we survey recently proposed protocols and architectures that enable heterogeneous networking support. Upon evaluation, we abstract common design patterns and propose a unified networking architecture that makes better use of a heterogeneous dynamic environment, both in terms of networks and devices. The architecture enables mobile nodes to make intelligent decisions about how and when to use each or a combination of networks, based on access policies. With this new architecture, we envision a shift from current applications, which support a single network, location, and device at a time to applications that can support multiple networks, multiple locations, and multiple devices

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

Concurrent Multipath Transfer: Scheduling, Modelling, and Congestion Window Management

Known as smartphones, multihomed devices like the iPhone and BlackBerry can simultaneously connect to Wi-Fi and 4G LTE networks. Unfortunately, due to the architectural constraints of standard transport layer protocols like the transmission control protocol (TCP), an Internet application (e.g., a file transfer) can use only one access network at a time. Due to recent developments, however, concurrent multipath transfer (CMT) using the stream control transmission protocol (SCTP) can enable multihomed devices to exploit additional network resources for transport layer communications. In this thesis we explore a variety of techniques aimed at CMT and multihomed devices, such as: packet scheduling, transport layer modelling, and resource management. Some of our accomplishments include, but are not limited to: enhanced performance of CMT under delay-based disparity, a tractable framework for modelling the throughput of CMT, a comparison of modelling techniques for SCTP, a new congestion window update policy for CMT, and efficient use of system resources through optimization. Since the demand for a better communications system is always on the horizon, it is our goal to further the research and inspire others to embrace CMT as a viable network architecture; in hopes that someday CMT will become a standard part of smartphone technology