The Dynamics of Internet Traffic: Self-Similarity, Self-Organization, and Complex Phenomena

The Internet is the most complex system ever created in human history. Therefore, its dynamics and traffic unsurprisingly take on a rich variety of complex dynamics, self-organization, and other phenomena that have been researched for years. This paper is a review of the complex dynamics of Internet traffic. Departing from normal treatises, we will take a view from both the network engineering and physics perspectives showing the strengths and weaknesses as well as insights of both. In addition, many less covered phenomena such as traffic oscillations, large-scale effects of worm traffic, and comparisons of the Internet and biological models will be covered.Comment: 63 pages, 7 figures, 7 tables, submitted to Advances in Complex System

A Survey on platoon-based vehicular cyber-physical systems

Vehicles on the road with some common interests can cooperatively form a platoon-based driving pattern, in which a vehicle follows another one and maintains a small and nearly constant distance to the preceding vehicle. It has been proved that, compared to driving individually, such a platoon-based driving pattern can significantly improve the road capacity and energy efficiency. Moreover, with the emerging vehicular adhoc network (VANET), the performance of platoon in terms of road capacity, safety and energy efficiency, etc., can be further improved. On the other hand, the physical dynamics of vehicles inside the platoon can also affect the performance of VANET. Such a complex system can be considered as a platoon-based vehicular cyber-physical system (VCPS), which has attracted significant attention recently. In this paper, we present a comprehensive survey on platoon-based VCPS. We first review the related work of platoon-based VCPS. We then introduce two elementary techniques involved in platoon-based VCPS: the vehicular networking architecture and standards, and traffic dynamics, respectively. We further discuss the fundamental issues in platoon-based VCPS, including vehicle platooning/clustering, cooperative adaptive cruise control (CACC), platoon-based vehicular communications, etc., and all of which are characterized by the tight coupled relationship between traffic dynamics and VANET behaviors. Since system verification is critical to VCPS development, we also give an overview of VCPS simulation tools. Finally, we share our view on some open issues that may lead to new research directions

SIMULATION AND ANALYSIS OF VEHICULAR AD-HOC NETWORKS IN URBAN AND RURAL AREAS

According to the American National Highway Traffic Safety Administration, in 2010, there were an estimated 5,419,000 police-reported traffic crashes, in which 32,885 people were killed and 2,239,000 people were injured in the US alone. Vehicular Ad-Hoc Network (VANET) is an emerging technology which promises to decrease car accidents by providing several safety related services such as blind spot, forward collision and sudden braking ahead warnings. Unfortunately, research of VANET is hindered by the extremely high cost and complexity of field testing. Hence it becomes important to simulate VANET protocols and applications thoroughly before attempting to implement them. This thesis studies the feasibility of common mobility and wireless channel models in VANET simulation and provides a general overview of the currently available VANET simulators and their features. Six different simulation scenarios are performed to evaluate the performance of AODV, DSDV, DSR and OLSR Ad-Hoc routing protocols with UDP and TCP packets. Simulation results indicate that reactive protocols are more robust and suitable for the highly dynamic VANET networks. Furthermore, TCP is found to be more suitable for VANET safety applications due to the high delay and packet drop of UDP packets.fi=Opinnäytetyö kokotekstinä PDF-muodossa.|en=Thesis fulltext in PDF format.|sv=Lärdomsprov tillgängligt som fulltext i PDF-format

Design and Evaluation of Efficient Medium Access Control Solutions for Vehicular Environments

[EN] In recent years, advances in wireless technologies and improved sensing and computational capabilities have led to a gradual transition towards Intelligent Transportation Systems (ITS) and related applications. These applications aim at improving road safety, provide smart navigation, and eco-friendly driving. Vehicular Ad hoc Networks (VANETs) provide a communication structure for ITS by equipping cars with advanced sensors and communication devices that enable a direct exchange of information between vehicles. Different types of ITS applications rely on two types of messages: periodic beacons and event-driven messages. Beacons include information such as geographical location, speed, and acceleration, and they are only disseminated to a close neighborhood. Differently from beacons, event-driven messages are only generated when a critical event of general interest occurs, and it is spread within a specific target area for the duration of the event. The reliability of information exchange is one of the main issues for vehicularcommunications since the safety of people on the road is directly related to the effectiveness of these transmissions. A Medium Access Control (MAC) protocol must guarantee reliable beacon broadcasting within deadline bounds to all vehicles in the neighbourhood, thereby providing them timely notifications about unsafe driving conditions or other hazardous events. Moreover, infotainment and comfort applications require reliable unicast transmissions that must be taken into account. However, high node mobility, highly dynamic topology, and lack of a central control unit, are issues that make the design of a reliable MAC protocol for vehicular environments a very difficult and challenging task, especially when efficient broadcasting strategies are required. The IEEE 802.11p MAC protocol, an approved amendment to the IEEE 802.11 standard, is a random access protocol that is unable to provide guaranteed delay bounds with sufficient reliability in vehicular scenarios, especially under high channel usage. This problem is particularly serious when implementing (semi-) automated driving applications such as platooning, where inter-vehicle spacing is drastically reduced, and the control loop that manages and maintains the platoon requires frequent, timely and reliable exchange of status information (beacons). In this thesis novel protocols compatible with the IEEE 802.11 and 802.11p standards are proposed in order to optimally adjust the contention window size for unicast applications in Mobile Ad hoc Networks (MANETs) and VANETs. Experimental tests comparing our proposals to existing solutions show that the former are able to improve the packet delivery ratio and the average end-to-end delay for unicast applications. Concerning efficient message diffusion (broadcast) in VANET environments, we proposed token-based MAC solutions to improve the performance achieved by existing 802.11p driving safety applications in different vehicular environments, including highway, urban, and platooning scenarios. Experimental results show that the proposed solutions clearly outperform 802.11p when delay-bounded beacons and event notifications must be delivered.[ES] Recientemente, los avances en las tecnologías inalámbricas y las mejoras en términos de capacidades de sensorización y computación de los dispositivos electrónicos, han dado lugar a una transición gradual hacia servicios y aplicaciones de los Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS). Estas aplicaciones tienen como objetivo mejorar la seguridad vial, proporcionar una navegación inteligente, y promover la conducción eco-eficiente. Las redes vehiculares ad hoc (VANETs) proporcionan una infraestructura de comunicaciones para ITS al equipar los coches con sensores avanzados y dispositivos de comunicación que permiten el intercambio directo de información entre vehículos. Los diferentes tipos de aplicaciones ITS se basan en dos tipos de mensajes: mensajes periódicos conocidos como beacons y mensajes asociados a eventos. Los mensajes periódicos incluyen información relativa a la ubicación geográfica, la velocidad y la aceleración, entre otros, y sólo son distribuidos entre los vehículos vecinos. A diferencia de estos beacons, los mensajes asociados a eventos sólo se generan cuando se produce un evento crítico de interés general, el cual se propaga dentro del área de interés de dicho evento y mientras éste siga activo. La fiabilidad del intercambio de información es uno de los principales problemas para las comunicaciones vehiculares, debido principalmente a que las aplicaciones de seguridad dependen directamente de la eficacia de estas transmisiones. Un protocolo de Control de Acceso al Medio (MAC) debe garantizar la difusión fiable de información a todos los vehículos vecinos dentro de unos límites máximos de retardo, proporcionándoles las notificaciones oportunas respecto a condiciones de conducción inseguras y otros eventos peligrosos. Por otra parte, las aplicaciones de información y entretenimiento, así como las aplicaciones orientadas al confort, también requieren transmisiones fiables extremoa-extremo. Sin embargo, la alta movilidad de los vehículos, la variabilidad de la topología, así como la falta de una unidad central de control, son factores que hacen que el diseño de un protocolo MAC fiable para entornos vehiculares sea una tarea especialmente compleja, especialmente cuando son necesarias estrategias de difusión eficientes. El protocolo MAC IEEE 802.11p, una modificación ya aprobada al estándar IEEE 802.11 original para entornos de comunicación vehiculares, es un protocolo de acceso que no es capaz de garantizar unos límites de retardo con la fiabilidad necesaria para estos entornos, especialmente en escenarios de alta utilización del canal inalámbrico. Este problema es particularmente importante a la hora de implementar aplicaciones de conducción (semi-)automática, como el caso de grupos de vehículos donde la separación entre vehículos se reduce drásticamente, y el sistema de control que gestiona y mantiene el grupo requiere de un intercambio frecuente de información fiable y acotado en retardo. En esta tesis se proponen nuevos protocolos MAC compatibles con los estándares IEEE 802.11 y 802.11p basados en el ajuste del tamaño de la ventana de contención para aplicaciones unicast en rede MANETs y VANETs. Los resultados experimentales obtenidos comparando nuestras propuestas con las soluciones existentes muestran que los protocolos propuestos son capaces de mejorar la tasa de entrega de paquetes y el retardo medio extremo-a-extremo para aplicaciones unicast. En lo que respecta a la difusión eficiente de mensajes broadcast en entornos VANET, se han propuesto soluciones MAC basadas en el uso de tokens que mejoran las prestaciones de aplicaciones de conducción segura basadas en el estándar 802.11p, tanto en autopistas, zonas urbanas, y escenarios con grupos de vehículos. Los resultados experimentales muestran que las soluciones propuestas superan claramente al protocolo 802.11p cuando es necesario entregar mensajes y notificaciones de eventos con restricc[CA] Recentment, els avan en les tecnologies sense fils i les millores en termes de capacitats de sensorització i computació dels dispositius electrònics, han donat lloc a una transició gradual cap a serveis i aplicacions dels sistemes intelligents de transport (ITS). Aquestes aplicacions tenen com a objectiu millorar la seguretat vial, proporcionar una navegació intelligent, i promoure la conducció ecoeficient. Les xarxes vehiculars ad hoc (VANET) proporcionen una infraestructura de comunicacions per a ITS, ja que equipen els cotxes amb sensors avançats i dispositius de comunicació que permeten l'intercanvi directe d'informació entre vehicles. Els diversos tipus d'aplicacions ITS es basen en dos classes de missatges: missatges periòdics coneguts com a beacons i missatges associats a esdeveniments. Els missatges periòdics inclouen informació relativa a la ubicació geogràfica, la velocitat i l'acceleració, entre uns altres, i només són distribuïts entre els vehicles veïns. A diferència d'aquests beacons, els missatges associats a esdeveniments només es generen quan es produeix un esdeveniment crític d'interès general, el qual es propaga dins de l àrea d'interès d'aquest esdeveniment i mentre aquest seguisca actiu. La fiabilitat de l'intercanvi d'informació és un dels principals problemes per a les comunicacions vehicular, principalment perquè les aplicacions de seguretat depenen directament de l'eficàcia d'aquestes transmissions. Un protocol de control d'accés al medi (MAC) ha de garantir la difusió fiable d'informació a tots els vehicles veïns dins d'uns límits màxims de retard, i proporcionar-los les notificacions oportunes respecte a condicions de conducció insegures i altres esdeveniments perillosos. D'altra banda, les aplicacions d'informació i entreteniment, com també les aplicacions orientades al confort, també requereixen transmissions fiables extrema-extrem. No obstant això, l'alta mobilitat dels vehicles, la variabilitat de la topologia, i la falta d'una unitat central de control, són factors que fan que el disseny d'un protocol MAC fiable per a entorns vehiculars siga una tasca especialment complexa, especialment quan són necessàries estratègies de difusió eficients. El protocol MAC IEEE 802.11p, una modificació ja aprovada a l'estàndard IEEE 802.11 original per a entorns de comunicació vehiculars, és un protocol d'accés que no és capa garantir uns límits de retard amb la fiabilitat necessària per a aquests entorns, especialment en escenaris d'alta utilització del canal sense fil. Aquest problema és particularment important a l'hora d'implementar aplicacions de conducció (semi)automàtica, com el cas de grups de vehicles en què la separació entre vehicles es redueix dràsticament, i el sistema de control que gestiona i manté el grup requereix un intercanvi freqüent d'informació fiable i delimitat en retard. En aquesta tesi es proposen nous protocols MAC compatibles amb els estàndards IEEE 802.11 i 802.11p basats en l'ajust de les dimensions de la finestra de contenció per a aplicacions unicast en xarxes MANET i VANET. Els resultats experimentals obtinguts comparant les nostres propostes amb les solucions existents mostren que els protocols proposats són capa de millorar la taxa de lliurament de paquets i el retard mitjà extrem-a-extrem per a aplicacions unicast. Pel que fa a la difusió eficient de missatges broadcast en entorns VANET, s'han proposat solucions MAC basades en l'ús de tokens que milloren les prestacions d'aplicacions de conducció segura basades en l'estàndard 802.11p, tant en autopistes, zones urbanes, i escenaris amb grups de vehicles. Els resultats experimentals mostren que les solucions proposades superen clarament el protocol 802.11p quan cal lliurar missatges i notificacions d'esdeveniments amb restriccions de latència.Balador, A. (2016). Design and Evaluation of Efficient Medium Access Control Solutions for Vehicular Environments [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/64073TESI

Handoff management for infotainment services over vehicular networks

Intelligent Transportation Systems (ITS) has impulsed the vehicular communications at the present time. The vehicular communications field is a hot research topic and is attracting a great interest in the automotive industry and telecommunications. There are essentially two main lines of work: (1) communication services related to road safety and traffic information; and (2) information and entertainment services, also named infotainment services. These latter services include both transmitting multimedia (voice over IP, streaming, on-line gaming, etc.) and classic data services (e-mail, access to private networks, web browsing, file sharing, etc.). In this thesis we will focus on these infotainment services because further research in this immature research field is necessary and, until nowadays, the main effort of the research community regarding vehicular communication has been focused on road safety and traffic information. Vehicular nodes need to be reached from the Internet and vice versa to be able to access to infotainment services. While vehicles move along the road infrastructure, they change their wireless point of attachment to the network. During this process, connectivity breaks down until the vehicle is connected again to a new road side unit in its area. This disconnection causes a disruption in the communications. Fast handoffs are a crucial requirement for vehicular networks to avoid long disruption times, since the high speed of vehicular nodes involves suffering a lot of handoffs during an Internet connection. This thesis is focused on Vehicular-to-Infrastructure (V2I) real-time infotainment services. The main contributions of this thesis are: i) a new testing framework for V2I communications to be able to test infotainment services in an easy way; ii) the analysis of the deployability of infotainment video services in vehicular networks using mobility protocols; and iii) the development of a new TCP architecture that will provide a better performance for all TCP-based infotainment services in a vehicular scenario with handoffs. In this thesis, firstly, we propose a new testing framework for vehicular infotainment applications. This framework is a vehicular emulation platform that allows testing real applications installed on Linux virtual machines. Using emulation, we are able to evaluate the performance of real applications with real-time requirements, so we can test multimedia applications used to offer infotainment services in vehicular scenarios in a straightforward way. Secondly, using the testing framework implemented in the first part of the thesis, we have done a performance evaluation of an infotainment service. Among these services, we think that video on demand services on highways will be interesting for users, and generate revenue to network operators. So we evaluated how network-layer handoffs can limit the deployment of a video streaming service. According to the results obtained, driving at high speeds will be an issue for a correct playback of video content, even using fast handoffs techniques. Finally, we developed a new TCP architecture to enhance performance during handoffs. Most of the non-safety services on ITS rely on the Transport Control Protocol (TCP), one of the core protocols of the Internet Protocol Suite. However there exists several issues related to TCP and mobility that can affect to TCP performance, and these issues are particularly important in vehicular networks due to its high mobility. Using new IEEE 802.21 MIH services, we propose a new TCP architecture that is able to anticipate handoffs, permitting to resume the communication after a handoff, avoiding long delays caused by TCP issues and adapting the TCP parameters to the new characteristics of the network. Using the architecture proposed, the performance of TCP is enhanced, getting a higher overall throughput and avoiding TCP fairness issues between users.Els Sistemes de Transport Intel·ligents (ITS) han impulsat les comunicacions vehiculars en l'actualitat. Les comunicacions vehiculars és un camp d'investigació de moda, i està atraient un gran interès en la indústria automobilística i de les telecomunicacions. En el camp de les comunicacions vehiculars, hi ha principalment dues línies de treball: (1) serveis de comunicacions relacionats amb la seguretat viària i la informació del trànsit; i (2) serveis d'informació i entreteniment, també anomenats serveis d'infotainment. Aquests últims inclouen tant serveis multimèdia (veu sobre IP, streaming, jocs on-line, etc.), com serveis clàssics de dades (correu electrònic, accés a xarxes privades, navegació web, compartir arxius, etc.). En aquesta tesi ens centrarem en aquests serveis d'infotainment ja que és necessari aprofundir en la investigació per aquests tipus de serveis, ja que, fins avui, els esforços de la comunitat científica en el camp de les comunicacions vehiculars s'ha centrat en els serveis relacionats amb la seguretat viària i la informació del trànsit. Els nodes vehiculars necessiten tenir connexió a Internet per a poder tenir accés als serveis d'infotainment. Mentre els vehicles estan en moviment a través de la xarxa viària, els vehicles han d'anar canviant el punt de connexió sense fils amb la xarxa. Durant aquest procés de canvi de punt de connexió, anomenat handoff, es perd la connectivitat fins que el vehicle es reconnecta a un altre punt de connexió viària prop de la seva àrea. Aquesta desconnexió causa interrupcions en les comunicacions. Uns handoffs ràpids són bàsics a les xarxes vehiculars per a evitar llargs períodes d'interrupció durant les comunicacions, ja que la gran velocitat a la que es mouen els nodes vehiculars significa un gran nombre de handoffs durant una connexió a Internet. Aquesta tesi es centra en serveis d'infotaiment en temps real per a comunicacions Vehicle-a-Infraestructura (V2I). Les principals contribucions d'aquesta tesi son: i) un nou marc de proves per a les comunicacions (V2I) per a poder provar serveis d'infotainment d'una manera fàcil; ii) l'anàlisi de la viabilitat del desplegament de serveis d'infotainment de vídeo en xarxes vehiculars utilitzant protocols de mobilitat IP; i iii) el desenvolupament d'una nova arquitectura TCP que proporciona un millor funcionament per a tots aquells serveis d'infotainment basats en el protocol TCP en un escenari vehicular amb handoffs. En aquesta tesi, primer proposem un nou marc de proves per a aplicacions vehiculars d'infotainment. Aquest marc és una plataforma d'emulació vehicular que permet provar aplicacions reals instal·lades en màquines virtuals Linux. Utilitzant l'emulació, som capaços d'avaluar el rendiment d'aplicacions reals amb característiques de temps real. D'aquesta manera es poden avaluar aplicacions multimèdia utilitzades per oferir serveis d'infotainment d'una forma senzilla en escenaris vehiculars. Segon, utilitzant el marc de prova implementat en la primera part de la tesi, hem avaluat el rendiment d'un servei d'infotainment. Entre aquest tipus de servei, creem que els serveis de vídeo sota demanda en autopistes/autovies serà interessant pels usuaris i generarà beneficis per als operadors de la xarxa. Per tant, hem avaluat com els handoffs a nivell de la capa de xarxa poden limitar el desplegament d'un servei de streaming de vídeo sota demanda. D'acord amb els resultats obtinguts, conduir a grans velocitats podria ser un problema per a poder reproduir un vídeo correctament, tot i utilitzar tècniques de handoffs ràpids. Finalment, hem desenvolupat una nova arquitectura TCP per a millorar el rendiment del protocol durant els handoffs. La majoria dels serveis d'infotainment utilitzen el Protocol de Control de Transport (TCP), un dels principals protocols de la pila de protocols d'Internet. Però existeixen forces problemes relacionats amb l'ús de TCP i la mobilitat que n'afecta el rendiment, i aquests problemes són particular

Adaptive protocols for mobile ad hoc networks

Recent advances in low-power technologies have resulted in the proliferation of inexpensive handheld mobile computing devices. Soon, just like the Internet empow- ered a whole new world of applications for personal computers, the development and deployment of robust ubiquitous wireless networks will enable many new and exciting futuristic applications. Certain to be an important part of this future is a class of networks known as "mobile ad hoc networks." Mobile ad hoc networks (or simply "ad hoc networks") are local-area networks formed "on the spot" between collocated wireless devices. These devices self-organize by sharing information with their neigh- bors to establish communication pathways whenever and wherever they are. For ad hoc networks to succeed, however, new protocols must be developed that are capable of adapting to their dynamic nature. In this dissertation, we present a number of adaptive protocols that are designed for this purpose. We investigate new link layer mechanisms that dynamically monitor and adapt to changes in link quality, including a protocol that uses common control messages to form a tight feedback control loop for adaptation of the link data rate to best match the channel conditions perceived by the receiver. We also investigate routing protocols that adapt route selection according to network characteristics. In particular, we present two on-demand routing protocols that are designed to take advantage of the presence of multirate links. We then investigate the performance of TCP, showing how communication outages caused by link failures and routing delays can be very detrimental to its performance. In response, we present a solution to this problem that uses explicit feedback messages from the link layer about link failures to adapt TCP's behavior. Finally, we show how link failures in heterogeneous networks containing links with widely varying bandwidth and delay can cause repeated "modal" changes in capacity that TCP is slow to detect. We then present a modifed version of TCP that is capable of more rapidly detecting and adapting to these changes