Modelling and Design of Resilient Networks under Challenges

Communication networks, in particular the Internet, face a variety of challenges that can disrupt our daily lives resulting in the loss of human lives and significant financial costs in the worst cases. We define challenges as external events that trigger faults that eventually result in service failures. Understanding these challenges accordingly is essential for improvement of the current networks and for designing Future Internet architectures. This dissertation presents a taxonomy of challenges that can help evaluate design choices for the current and Future Internet. Graph models to analyse critical infrastructures are examined and a multilevel graph model is developed to study interdependencies between different networks. Furthermore, graph-theoretic heuristic optimisation algorithms are developed. These heuristic algorithms add links to increase the resilience of networks in the least costly manner and they are computationally less expensive than an exhaustive search algorithm. The performance of networks under random failures, targeted attacks, and correlated area-based challenges are evaluated by the challenge simulation module that we developed. The GpENI Future Internet testbed is used to conduct experiments to evaluate the performance of the heuristic algorithms developed

A Framework to Quantify Network Resilience and Survivability

The significance of resilient communication networks in the modern society is well established. Resilience and survivability mechanisms in current networks are limited and domain specific. Subsequently, the evaluation methods are either qualitative assessments or context-specific metrics. There is a need for rigorous quantitative evaluation of network resilience. We propose a service oriented framework to characterize resilience of networks to a number of faults and challenges at any abstraction level. This dissertation presents methods to quantify the operational state and the expected service of the network using functional metrics. We formalize resilience as transitions of the network state in a two-dimensional state space quantifying network characteristics, from which network service performance parameters can be derived. One dimension represents the network as normally operating, partially degraded, or severely degraded. The other dimension represents network service as acceptable, impaired, or unacceptable. Our goal is to initially understand how to characterize network resilience, and ultimately how to guide network design and engineering toward increased resilience. We apply the proposed framework to evaluate the resilience of the various topologies and routing protocols. Furthermore, we present several mechanisms to improve the resilience of the networks to various challenges

NASA Tech Briefs, July 2009

Topics covered include: Dual Cryogenic Capacitive Density Sensor; Hail Monitor Sensor; Miniature Six-Axis Load Sensor for Robotic Fingertip; Improved Blackbody Temperature Sensors for a Vacuum Furnace; Wrap-Around Out-the-Window Sensor Fusion System; Wide-Range Temperature Sensors with High-Level Pulse Train Output; Terminal Descent Sensor Simulation; A Robust Mechanical Sensing System for Unmanned Sea Surface Vehicles; Additive for Low-Temperature Operation of Li-(CF)n Cells; Li/CFx Cells Optimized for Low-Temperature Operation; Number Codes Readable by Magnetic-Field-Response Recorders; Determining Locations by Use of Networks of Passive Beacons; Superconducting Hot-Electron Submillimeter-Wave Detector; Large-Aperture Membrane Active Phased-Array Antennas; Optical Injection Locking of a VCSEL in an OEO; Measuring Multiple Resistances Using Single-Point Excitation; Improved-Bandwidth Transimpedance Amplifier; Inter-Symbol Guard Time for Synchronizing Optical PPM; Novel Materials Containing Single-Wall Carbon Nanotubes Wrapped in Polymer Molecules; Light-Curing Adhesive Repair Tapes; Thin-Film Solid Oxide Fuel Cells; Zinc Alloys for the Fabrication of Semiconductor Devices; Small, Lightweight, Collapsible Glove Box; Radial Halbach Magnetic Bearings; Aerial Deployment and Inflation System for Mars Helium Balloons; Steel Primer Chamber Assemblies for Dual Initiated Pyrovalves; Voice Coil Percussive Mechanism Concept for Hammer Drill; Inherently Ducted Propfans and Bi-Props; Silicon Nanowire Growth at Chosen Positions and Orientations; Detecting Airborne Mercury by Use of Gold Nanowires; Detecting Airborne Mercury by Use of Palladium Chloride; Micro Electron MicroProbe and Sample Analyzer; Nanowire Electron Scattering Spectroscopy; Electron-Spin Filters Would Offer Spin Polarization Greater than 1; Subcritical-Water Extraction of Organics from Solid Matrices; A Model for Predicting Thermoelectric Properties of Bi2Te3; Integrated Miniature Arrays of Optical Biomolecule Detectors; A Software Rejuvenation Framework for Distributed Computing; Kurtosis Approach to Solution of a Nonlinear ICA Problem; Robust Software Architecture for Robots; R4SA for Controlling Robots; Bio-Inspired Neural Model for Learning Dynamic Models; Evolutionary Computing Methods for Spectral Retrieval; Monitoring Disasters by Use of Instrumented Robotic Aircraft; Complexity for Survival of Living Systems; Using Drained Spacecraft Propellant Tanks for Habitation; Connecting Node; and Electrolytes for Low-Temperature Operation of Li-CFx Cells

End-to-End Resilience Mechanisms for Network Transport Protocols

The universal reliance on and hence the need for resilience in network communications has been well established. Current transport protocols are designed to provide fixed mechanisms for error remediation (if any), using techniques such as ARQ, and offer little or no adaptability to underlying network conditions, or to different sets of application requirements. The ubiquitous TCP transport protocol makes too many assumptions about underlying layers to provide resilient end-to-end service in all network scenarios, especially those which include significant heterogeneity. Additionally the properties of reliability, performability, availability, dependability, and survivability are not explicitly addressed in the design, so there is no support for resilience. This dissertation presents considerations which must be taken in designing new resilience mechanisms for future transport protocols to meet service requirements in the face of various attacks and challenges. The primary mechanisms addressed include diverse end-to-end paths, and multi-mode operation for changing network conditions

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

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

Aeronautical engineering: A continuing bibliography with indexes (supplement 295)

This bibliography lists 581 reports, articles, and other documents introduced into the NASA Scientific and Technical Information System in Sep. 1993. Subject coverage includes: design, construction and testing of aircraft and aircraft engines; aircraft components, equipment, and systems; ground support systems; and theoretical and applied aspects of aerodynamics and general fluid dynamics