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

Connection Robustness for Wireless Moving Networks Using Transport Layer Multi-homing

Given any form of mobility management through wireless communication, one useful enhancement is improving the reliability and robustness of transport-layer connections in a heterogeneous mobile environment. This is particularly true in the case of mobile networks with multiple vertical handovers. In this thesis, issues and challenges in mobility management for mobile terminals in such a scenario are addressed, and a number of techniques to facilitate and improve efficiency and the QoS for such a handover are proposed and investigated. These are initially considered in an end-to-end context and all protocols and changes happened in the middleware of the connection where the network is involved with handover issues and end user transparency is satisfied. This thesis begins by investigating mobility management solutions particularly the transport layer models, also making significant observation pertinent to multi-homing for moving networks in general. A new scheme for transport layer tunnelling based on SCTP is proposed. Consequently a novel protocol to handle seamless network mobility in heterogeneous mobile networks, named nSCTP, is proposed. Efficiency of this protocol in relation to QoS for handover parameters in an end-to-end connection while wired and wireless networks are available is considered. Analytically and experimentally it has been proved that this new scheme can significantly increase the throughput, particularly when the mobile networks roam frequently. The detailed plan for the future improvements and expansion is also provided

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

Design of interface selection protocols for multi-homed wireless networks

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and was awarded by Brunel University on 10 December 2010.The IEEE 802.11/802.16 standards conformant wireless communication stations have multi-homing transmission capability. To achieve greater communication efficiency, multi-homing capable stations use handover mechanism to select appropriate transmission channel according to variations in the channel quality. This thesis presents three internal-linked handover schemes, (1) Interface Selection Protocol (ISP), belonging to Wireless Local Area Network (WLAN)- Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) environment (2) Fast Channel Scanning (FCS) and (3) Traffic Manager (TM), (2) and (3) belonging to WiMAX Environment. The proposed schemes in this thesis use a novel mechanism of providing a reliable communication route. This solution is based on a cross-layer communication framework, where the interface selection module uses various network related parameters from Medium Access Control (MAC) sub-layer/Physical Layer (PHY) across the protocol suite for decision making at the Network layer. The proposed solutions are highly responsive when compared with existing multi-homed schemes; responsiveness is one of the key factors in the design of such protocols. Selected route under these schemes is based on the most up to date link-layer information. Therefore, such a route is not only reliable in terms of route optimization but it also fulfils the application demands in terms of throughput and delay. Design of ISP protocol use probing frames during the route discovery process. The 802.11 mandates the use of different rates for data transmission frames. The ISP-metric can be incorporated into various routing aspects and its applicability is determined by the possibility of provision of MAC dependent parameters that are used to determine the best path metric values. In many cases, higher device density, interference and mobility cause variable medium access delays. It causes creation of ‘unreachable zones’, where destination is marked as unreachable. However, by use of the best path metric, the destination has been made reachable, anytime and anywhere, because of the intelligent use of the probing frames and interface selection algorithm implemented. The IEEE 802.16e introduces several MAC level queues for different access categories, maintaining service requirement within these queues; which imply that frames from a higher priority queue, i.e. video frames, are serviced more frequently than those belonging to lower priority queues. Such an enhancement at the MAC sub-layer introduces uneven queuing delays. Conventional routing protocols are unaware of such MAC specific constraints and as a result, these factors are not considered which result in channel performance degradation. To meet such challenges, the thesis presents FCS and TM schemes for WiMAX. For FCS, Its solution is to improve the mobile WiMAX handover and address the scanning latency. Since minimum scanning time is the most important issue in the handover process. This handover scheme aims to utilize the channel efficiently and apply such a procedure to reduce the time it takes to scan the neighboring access stations. TM uses MAC and physical layer (PHY) specific information in the interface metric and maintains a separate path to destination by applying an alternative interface operation. Simulation tests and comparisons with existing multi-homed protocols and handover schemes demonstrate the effectiveness of incorporating the medium dependent parameters. Moreover, show that suggested schemes, have shown better performance in terms of end-to-end delay and throughput, with efficiency up to 40% in specific test scenarios

Connection robustness for wireless moving networks using transport layer multi-homing

Given any form of mobility management through wireless communication, one useful enhancement is improving the reliability and robustness of transport-layer connections in a heterogeneous mobile environment. This is particularly true in the case of mobile networks with multiple vertical handovers. In this thesis, issues and challenges in mobility management for mobile terminals in such a scenario are addressed, and a number of techniques to facilitate and improve efficiency and the QoS for such a handover are proposed and investigated. These are initially considered in an end-to-end context and all protocols and changes happened in the middleware of the connection where the network is involved with handover issues and end user transparency is satisfied. This thesis begins by investigating mobility management solutions particularly the transport layer models, also making significant observation pertinent to multi-homing for moving networks in general. A new scheme for transport layer tunnelling based on SCTP is proposed. Consequently a novel protocol to handle seamless network mobility in heterogeneous mobile networks, named nSCTP, is proposed. Efficiency of this protocol in relation to QoS for handover parameters in an end-to-end connection while wired and wireless networks are available is considered. Analytically and experimentally it has been proved that this new scheme can significantly increase the throughput, particularly when the mobile networks roam frequently. The detailed plan for the future improvements and expansion is also provided.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

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

Performance Evaluation of TCP Multihoming for IPV6 Anycast Networks and Proxy Placement

In this thesis, the impact of multihomed clients and multihomed proxy servers on the performance of modern networks is investigated. The network model used in our investigation integrates three main components: the new one-to-any Anycast communication paradigm that facilitates server replication, the next generation Internet Protocol Version 6 (IPv6) that offers larger address space for packet switched networks, and the emerging multihoming trend of connecting devices and smart phones to more than one Internet service provider thereby acquiring more than one IP address. The design of a previously proposed Proxy IP Anycast service is modified to integrate user device multihoming and Ipv6 routing. The impact of user device multihoming (single-homed, dual-homed, and triple-homed) on network performance is extensively analyzed using realistic network topologies and different traffic scenarios of client-server TCP flows. Network throughput, packet latency delay and packet loss rate are the three performance metrics used in our analysis. Performance comparisons between the Anycast Proxy service and the native IP Anycast protocol are presented. The number of Anycast proxy servers and their placement are studied. Five placement methods have been implemented and evaluated including random placement, highest traffic placement, highest number of active interface placements, K-DS placement and a new hybrid placement method. The work presented in this thesis provides new insight into the performance of some new emerging communication paradigms and how to improve their design. Although the work has been limited to investigating Anycast proxy servers, the results can be beneficial and applicable to other types of overlay proxy services such as multicast proxies

Design of interface selection protocols for multi-homed wireless networks

The IEEE 802.11/802.16 standards conformant wireless communication stations have multi-homing transmission capability. To achieve greater communication efficiency, multi-homing capable stations use handover mechanism to select appropriate transmission channel according to variations in the channel quality. This thesis presents three internal-linked handover schemes, (1) Interface Selection Protocol (ISP), belonging to Wireless Local Area Network (WLAN)- Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) environment (2) Fast Channel Scanning (FCS) and (3) Traffic Manager (TM), (2) and (3) belonging to WiMAX Environment. The proposed schemes in this thesis use a novel mechanism of providing a reliable communication route. This solution is based on a cross-layer communication framework, where the interface selection module uses various network related parameters from Medium Access Control (MAC) sub-layer/Physical Layer (PHY) across the protocol suite for decision making at the Network layer. The proposed solutions are highly responsive when compared with existing multi-homed schemes; responsiveness is one of the key factors in the design of such protocols. Selected route under these schemes is based on the most up to date link-layer information. Therefore, such a route is not only reliable in terms of route optimization but it also fulfils the application demands in terms of throughput and delay. Design of ISP protocol use probing frames during the route discovery process. The 802.11 mandates the use of different rates for data transmission frames. The ISP-metric can be incorporated into various routing aspects and its applicability is determined by the possibility of provision of MAC dependent parameters that are used to determine the best path metric values. In many cases, higher device density, interference and mobility cause variable medium access delays. It causes creation of ‘unreachable zones’, where destination is marked as unreachable. However, by use of the best path metric, the destination has been made reachable, anytime and anywhere, because of the intelligent use of the probing frames and interface selection algorithm implemented. The IEEE 802.16e introduces several MAC level queues for different access categories, maintaining service requirement within these queues; which imply that frames from a higher priority queue, i.e. video frames, are serviced more frequently than those belonging to lower priority queues. Such an enhancement at the MAC sub-layer introduces uneven queuing delays. Conventional routing protocols are unaware of such MAC specific constraints and as a result, these factors are not considered which result in channel performance degradation. To meet such challenges, the thesis presents FCS and TM schemes for WiMAX. For FCS, Its solution is to improve the mobile WiMAX handover and address the scanning latency. Since minimum scanning time is the most important issue in the handover process. This handover scheme aims to utilize the channel efficiently and apply such a procedure to reduce the time it takes to scan the neighboring access stations. TM uses MAC and physical layer (PHY) specific information in the interface metric and maintains a separate path to destination by applying an alternative interface operation. Simulation tests and comparisons with existing multi-homed protocols and handover schemes demonstrate the effectiveness of incorporating the medium dependent parameters. Moreover, show that suggested schemes, have shown better performance in terms of end-to-end delay and throughput, with efficiency up to 40% in specific test scenarios.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo