Resource management in in-home digital networks using Dantzig-Wolfe decomposition

In een digitaal huisnetwerk zijn in het huis de verschillende digitale consumentenelektronica apparaten met elkaar verbonden, zoals een set-top-box, tv-scherm of harde schijf. Dit maakt nieuwe applicaties mogelijk, zoals het kunnen bekijken van een film op elke mogelijke plek in huis op elk gewenst moment zonder dat men precies weet waar deze film is opgeslagen. Deze nieuwe applicaties leiden echter tot nieuwe `resource management' problemen met als doel de `resources',zoals processoren, opslagapparatuur en communicatieverbindingen, zo efficient en effectief mogelijk te gebruiken.In dit proefschrift beschouwen we een enkele bus (communicatieverbinding) met beperkte bandbreedte, waarmee meerdere apparaten zijn verbonden. Tussen elk apparaat en de bus bevindt zich een buffer met beperkte capaciteit. Verder is er een verzameling video stromen gegeven waarbij elke stroom over de bus van het verzendend apparaat naar het ontvangend apparaat verzonden moet worden. Hierbij willen we voor iedere stroom een vast deel van de bandbreedte en betreffende buffers reserveren. We maken onderscheid tussen twee type stromen, te weten volledig gespecificeerde stromen en `leaky bucket' gereguleerde stromen. Van een volledig gespecificeerde stroom weten we exact hoeveel data er wanneer wordt aangeboden en gevraagd bij de buffers van zijn verzendend respectievelijk ontvangend apparaat. Van een `leaky bucket' gereguleerde stroom kennen we alleen de parameters van de `leaky buckets' die de data-aanvoer van de stroom reguleren.Met deze parameters kunnen we een bovengrens voor de data-aanvoer gedurende elk mogelijk tijdsinterval geven.Allereerst definieren wij het Multiple Streams Smoothing Problem (MSSP). In een instantie van MSSP is een verzameling volledig gespecificeerde stromengegeven, de bandbreedte van de bus en de groottes van de verschillende buffers.Voor elke stroom moet een vast deel van de bandbreedte en de buffergroottes worden bepaald alsmede een verzendschema waarmee alle data voor de stroom op tijd kan worden verzonden. We modelleren MSSP als een lineair programmeringsprobleem en laten zien hoe Dantzig-Wolfe decompositie hierop kan worden toegepast. Dit leidt tot een hoofdprobleem en voor iedere stroom een subprobleem. Het subprobleem voor een stroom bestaat uit het minimaliseren van de kosten van de gereserveerde bandbreedte en buffergroottes, waarbij de kostencoefficienten volgen uit het geoptimaliseerde hoofdprobleem. Voor elke mogelijke combinatie van positievekostencoefficienten beschrijven we voor dit subprobleem een efficiente methode om een optimale oplossing te bepalen. Voor het minimaliseren van enkel de bandbreedte of enkel de buffergrootte van ´e´en van beide buffers passen wij hiervoor bestaande methoden aan. Voor het minimaliseren van beide buffergroottes laten we zien dat een optimale oplossing wordt verkregen door eerst de duurste buffer te minimaliseren en daarna de goedkoopste. Voor het afwegen van de bandbreedtetegen ´e´en buffergrootte beschrijven we een specifieke inruilmethode. Voor het afwegen van de bandbreedte tegen beide buffergroottes herleiden we het subprobleem eerst tot het vinden van het minimum van een stuksgewijs lineaire, convexe functie op de bandbreedte. Vervolgens beschrijven we twee efficente zoekmethoden om het minimum van deze functie met bijbehorende bandbreedte en buffergroottes te bepalen. Met behulp van experimentele resultaten geven we voor problemen van realistische grootte een indicatie van de rekentijd en van de benuttingsgraad van de bepaalde bandbreedte- en bufferreserveringen.Voor de `leaky bucket' gereguleerde stromen definieren wij het MultipleLeaky-Bucket Streams Smoothing Problem (MLBSSP). In een instantie van MLBSSP is een verzameling `leaky bucket' gereguleerde stromen gegeven, waarvoor een vast deel van de bandbreedte en buffergroottes moet worden bepaald als medeverzendstrategien waarmee alle data op tijd kan worden verstuurd. Ook MLBSSP modelleren we als een lineair programmeringsprobleem. Verder tonen we aan dat MLBSSP te reduceren is tot MSSP door de bovengrens op de data-aanvoer als daadwerkelijke data-aanvoer te gebruiken voor iedere stroom. Deze bovengrens heeft een paar specifieke kenmerken, nl. concaviteit en stuksgewijs lineariteit, die we gebruiken om voor `leaky bucket' gereguleerde stromen de subproblemen nog efficienter op te lossen. Hiervoor leiden we vier nieuwe, noodzakelijke en voldoende voorwaarden voor de bandbreedte- en bufferreserveringen van een stroom af. Met behulp van deze voorwaarden is de tijd om een subprobleem op te lossen lineair afhankelijk van het aantal `leaky buckets' i.p.v. de lengte van een stroom,zoals voor volledig gespecificeerde stromen. Een oplossing kan nu binnen eenf ractie van een seconde bepaald worden. Om experimenten uit te voeren voor deze methode voor MLBSSP, genereren we verschillende `leaky bucket' beschrijvingen voor iedere volledig gespecificeerde stroom die gebruikt was in de resultaten voor MSSP. De resultaten van deze experimenten zijn voor stromen die zijn beschreven door hun maximale aantal benodigde `leaky buckets', gelijk aan de resultaten voor de volledig gespecificeerde stromen. Behalve de bovengenoemde `off-line' varianten van MSSP en MLBSSP beschouwen we ook `on-line' varianten van deze problemen. In de `on-line' varianten zijn de starttijden van stromen onbekend en zijn de kenmerken van een stroom pas bekend op het moment dat deze wil starten. Een oplossing voor een`on-line' variant kan worden bepaald door elke keer dat een nieuwe stroom start,de methode voor het `off-line' probleem te gebruiken om nieuwe bandbreedte- en bufferreserveringen te bepalen. Indien de reserveringen van bestaande stromen dan mogen worden aangepast, dient er bij het oplossen van de subproblemen voor deze stromen rekening gehouden te worden met de hoeveelheid data die er in totaal al verzonden is. Verdere toevoegingen aan de `off-line' methode die we beschouwen en die kunnen leiden tot een hoger aantal toegelaten stromen, zijn doelfuncties zoals het minimaliseren van de totale gereserveerde bandbreedte of buffergrootte van een specifieke buffer. Ook laten we zien hoe de maximale relatieve `resource' reservering geminimaliseerd kan worden. Tenslotte beschrijven we een aanpak voor de verzending van data van een stroom, waarbij data pas uit de buffers verwijderd wordt als dat nodig is om ruimte te maken voor nieuw aangeleverde data. Numerieke experimenten laten zien dat verschillende van deze aanpassingen inderdaad tot betere resultaten kunnen leiden. Het aantal toegelaten stromen in deze experimenten is voor een `on-line' variant met bepaalde toevoegingen net zo hoog als voor de `off-line' variant

Renegotiable VBR service

In this work we address the problem of supporting the QoS requirements for applications while efficiently allocating the network resources. We analyse this problem at the source node where the traffic profile is negotiated with the network and the traffic is shaped according to the contract. We advocate VBR renegotiation as an efficient mechanism to accommodate traffic fluctuations over the burst time-scale. This is in line with the Integrated Service of the IETF with the Resource reSerVation Protocol (RSVP), where the negotiated contract may be modified periodically. In this thesis, we analyse the fundamental elements needed for solving the VBR renegotiation. A source periodically estimates the needs based on: (1) its future traffic, (2) cost objective, (3) information from the past. The issues of this estimation are twofold: future traffic prediction given a prediction, the optimal change. In the case of a CBR specification the optimisation problem is trivial. But with a VBR specification this problem is complex because of the multidimensionality of the VBR traffic descriptor and the non zero condition of the system at the times where the parameter set is changed. We, therefore, focus on the problem of finding the optimal change for sources with pre-recorded or classified traffic. The prediction of the future traffic is out of the scope of this thesis. Traditional existing models are not suitable for modelling this dynamic situation because they do not take into account the non-zero conditions at the transient moments. To address the shortfalls of the traditional approaches, a new class of shapers, the time varying leaky bucket shaper class, has been introduced and characterised by network calculus. To our knowledge, this is the first model that takes into account non-zero conditions at the transient time. This innovative result forms the basis of Renegotiable VBR Service (RVBR). The application of our RVBR mathematical model to the initial problem of supporting the applications' QoS requirements while efficiently allocating the network resources results in simple, efficient algorithms. Through simulation, we first compare RVBR service versus VBR service and versus renegotiable CBR service. We show that RVBR service provides significant advantages in terms of resource costs and resource utilisation. Then, we illustrate that when the service assumes zero conditions at the transient time, the source could potentially experience losses in the case of policing because of the mismatch between the assumed bucket and buffer level and the policed bucket and buffer level. As an example of RVBR service usage, we describe the simulation of RVBR service in a scenario where a sender transmits a MPEG2 video over a network using RSVP reservation protocol with Controlled-Load service. We also describe the implementation design of a Video on Demand application, which is the first example of an RVBR-enabled application. The simulation and experimentation results lead us to believe that RVBR service provides an adequate service (in terms of QoS guaranteed and of efficient resource allocation) to sources with pre-recorded or classified traffic

A Slotted Ring Test Bed for the Study of ATM Network Congestion Management

This thesis addresses issues raised by the proposed Broadband Integrated Services Digital Network which will provide a flexible combination of integrated services traffic through its cell-based Asynchronbus Transport Mode (ATM). The introduction of a cell-based, connection-oriented, transport mode brings with it new technical challenges for network management. The routing of cells, their service at switching centres, and problems of cell congestion not encountered in the existing network, are some of the key issues. The thesis describes the development of a hardware slotted ring testbed for the investigation of congestion management in an ATM network. The testbed is designed to incorporate a modified form of the ORWELL protocol to control media access. The media access protocol is analysed to give a model for maximum throughput and reset interval under various traffic distributions. The results from the models are compared with measurements carried out on the testbed, where cell arrival statistics are also varied. It is shown that the maximum throughput of the testbed is dependent on both traffic distribution and cell arrival statistics. The testbed is used for investigations in a heterogeneous traffic environment where two classes of traffic with different cell arrival statistics and quality of service requirements are defined. The effect of prioritisation, media access protocol, traffic intensity, and traffic source statistics were investigated by determining an Admissible Load Region (ALR) for a network station. Conclusions drawn from this work suggest that there are many problems associated with the reliable definition of an ALR because of the number of variable parameters which could shift the ALR boundary. A suggested direction for further work is to explore bandwidth reservation and the concept of equivalent capacity of a connection, and how this can be linked to source control parameters

The AURORA Gigabit Testbed

AURORA is one of five U.S. networking testbeds charged with exploring applications of, and technologies necessary for, networks operating at gigabit per second or higher bandwidths. The emphasis of the AURORA testbed, distinct from the other four testbeds, BLANCA, CASA, NECTAR, and VISTANET, is research into the supporting technologies for gigabit networking. Like the other testbeds, AURORA itself is an experiment in collaboration, where government initiative (in the form of the Corporation for National Research Initiatives, which is funded by DARPA and the National Science Foundation) has spurred interaction among pre-existing centers of excellence in industry, academia, and government. AURORA has been charged with research into networking technologies that will underpin future high-speed networks. This paper provides an overview of the goals and methodologies employed in AURORA, and points to some preliminary results from our first year of research, ranging from analytic results to experimental prototype hardware. This paper enunciates our targets, which include new software architectures, network abstractions, and hardware technologies, as well as applications for our work

Quality-of-service management in IP networks

Quality of Service (QoS) in Internet Protocol (IF) Networks has been the subject of active research over the past two decades. Integrated Services (IntServ) and Differentiated Services (DiffServ) QoS architectures have emerged as proposed standards for resource allocation in IF Networks. These two QoS architectures support the need for multiple traffic queuing systems to allow for resource partitioning for heterogeneous applications making use of the networks. There have been a number of specifications or proposals for the number of traffic queuing classes (Class of Service (CoS)) that will support integrated services in IF Networks, but none has provided verification in the form of analytical or empirical investigation to prove that its specification or proposal will be optimum. Despite the existence of the two standard QoS architectures and the large volume of research work that has been carried out on IF QoS, its deployment still remains elusive in the Internet. This is not unconnected with the complexities associated with some aspects of the standard QoS architectures. [Continues.

An Overview of the Isochronets Architecture for High Speed Networks

This paper overviews a novel switching architecture for high-speed networks: Isochronets. Isochronets time-divide network bandwidth among routing trees. Traffic moves down a routing tree to the root during its time band. Network functions such as routing and flow control are entirely governed by band timers and require no processing of frame headers bits. Frame motions need not be delayed for switch processing, allowing Isochronets to scale over a large spectrum of transmission speeds and support all-optical implementations. The network functions as a media-access layer that can support multiple framing protocols simultaneously, handled by higher layers at the periphery. Internetworking is reduced to a simple media-layer bridging. Isochronets provide flexible quality of service control and multicasting through allocation of bands to routing trees. They can be tuned to span a spectrum of performance behaviors outperforming both circuit or packet switching

System architecture and hardware implementations for a reconfigurable MPLS router

With extremely wide bandwidth and good channel properties, optical fibers have brought fast and reliable data transmission to today’s data communications. However, to handle heavy traffic flowing through optical physical links, much faster processing speed is required or else congestion can take place at network nodes. Also, to provide people with voice, data and all categories of multimedia services, distinguishing between different data flows is a requirement. To address these router performance, Quality of Service /Class of Service and traffic engineering issues, Multi-Protocol Label Switching (MPLS) was proposed for IP-based Internetworks. In addition, routers flexible in hardware architecture in order to support ever-evolving protocols and services without causing big infrastructure modification or replacement are also desirable. Therefore, reconfigurable hardware implementation of MPLS was proposed in this project to obtain the overall fast processing speed at network nodes. The long-term goal of this project is to develop a reconfigurable MPLS router, which uniquely integrates the best features of operations being conducted in software and in run-time-reconfigurable hardware. The scope of this thesis includes system architecture and service algorithm considerations, Verilog coding and testing for an actual device. The hardware and software co-design technique was used to partition and schedule the protocol code for execution on both a general-purpose processor and stream-based hardware. A novel RPS scheme that is practically easy to build and can realize pipelined packet-by-packet data transfer at each output was proposed to take the place of the traditional crossbar switching. In RPS, packets with variable lengths can be switched intelligently without performing packet segmentation and reassembly. Primary theoretical analysis of queuing issues was discussed and an improved multiple queue service scheduling policy UD-WRR was proposed, which can reduce packet-waiting time without sacrificing the performance. In order to have the tests carried out appropriately, dedicated circuitry for the MPLS functional block to interface a specific MAC chip was implemented as well. The hardware designs for all functions were realized with a single Field Programmable Gate Array (FPGA) device in this project. The main result presented in this thesis was the MPLS function implementation realizing a major part of layer three routing at the reconfigurable hardware level, which advanced a great step towards the goal of building a router that is both fast and flexible

Low-Latency Hard Real-Time Communication over Switched Ethernet

With the upsurge in the demand for high-bandwidth networked real-time applications in cost-sensitive environments, a key issue is to take advantage of developments of commodity components that offer a multiple of the throughput of classical real-time solutions. It was the starting hypothesis of this dissertation that with fine grained traffic shaping as the only means of node cooperation, it should be possible to achieve lower guaranteed delays and higher bandwidth utilization than with traditional approaches, even though Switched Ethernet does not support policing in the switches as other network architectures do. This thesis presents the application of traffic shaping to Switched Ethernet and validates the hypothesis. It shows, both theoretically and practically, how commodity Switched Ethernet technology can be used for low-latency hard real-time communication, and what operating-system support is needed for an efficient implementation