Etude analytique de la fiabilité dans les réseaux ad hoc multi-domiciliés

National audienceLa redondance est le principal moyen pour améliorer la robustesse et la disponibilité des chemins dans les réseaux mobiles ad hoc. Dans ce document, nous analysons deux niveaux de redondance proposés dans la littérature afin de faciliter le recouvrement de la communication entre deux nœuds (1) la redondance de routes à travers les protocoles de routage multipath (2) le concept de multihoming procurant une redondance de niveau transport. Nous montrons l'avantage de l'intégration multihoming-multipath dans les réseaux ad hoc en termes de fiabilité et de disponibilité et proposons une méthode de calcul de la fiabilité des chemins dans un réseau mobile ad hoc multi-domicilié utilisant cette approche

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

Cooperative resource pooling in multihomed mobile networks

The ubiquity of multihoming amongst mobile devices presents a unique opportunity for users to co-operate, sharing their available Internet connectivity, forming multihomed mobile networks on demand. This model provides users with vast potential to increase the quality of service they receive. Despite this, such mobile networks are typically underutilized and overly restrictive, as additional Internet connectivity options are predominantly ignored and selected gateways are both immutable and incapable of meeting the demand of the mobile network. This presents a number of research challenges, as users look to maximize their quality of experience, while balancing both the financial cost and power consumption associated with utilizing a diverse set of heterogeneous Internet connectivity options. In this thesis we present a novel architecture for mobile networks, the contribution of which is threefold. Firstly, we ensure the available Internet connectivity is appropriately advertised, building a routing overlay which allows mobile devices to access any available network resource. Secondly, we leverage the benefits of multipath communications, providing the mobile device with increased throughput, additional resilience and seamless mobility. Finally, we provide a multihomed framework, enabling policy driven network resource management and path selection on a per application basis. Policy driven resource management provides a rich and descriptive approach, allowing the context of the network and the device to be taken into account when making routing decisions at the edge of the Internet. The aim of this framework, is to provide an efficient and flexible approach to the allocation of applications to the optimal network resource, no matter where it resides in a mobile network. Furthermore, we investigate the benefits of path selection, facilitating the policy framework to choose the optimal network resource for specific applications. Through our evaluation, we prove that our approach to advertising Internet connectivity in a mobile network is both efficient and capable of increasing the utilization of the available network capacity. We then demonstrate that our policy driven approach to resource management and path selection can further improve the user’s quality of experience, by tailoring network resource usage to meet their specific needs

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

Comparaison des stratégies de redondance dans les réseaux ad hoc

Session Ad HocInternational audienceDans ce papier, nous analysons une approche originale en combinant les processus de recouvrement de route et de chemin dans un réseau ad hoc hétérogène utilisant deux technologies sans fil Zigbee et WiFi pour améliorer la robustesse du réseau. Nous proposons une architecture de redondance multi-niveau qui s'appuie sur des protocoles normalisés IEEE et IETF. Elle prend en charge toutes les étapes du processus de recouvrement de chemin depuis la détection de la rupture d'un lien sur le chemin primaire jusqu'à la reprise du trafic sur le chemin secondaire. Une formulation analytique de la fiabilité de chacun des trois schémas de recouvrement de base (recouvrement lien par lien, de bout en bout et par segment) est proposée. L'étude de performance montre l'avantage en terme de fiabilité du recouvrement par segment par rapport aux deux autres politiques. Il apparaît aussi qu'en terme de fiabilité, la gestion des pannes de la route primaire doit s'effectuer au niveau du routage par des protocoles multipath plutôt que par la couche transport

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

Prise de décision de handover vertical pour la gestion de mobilité dans les réseaux hétérogènes sans fil

L évolution des technologies réseaux sans fil, des terminaux mobiles ainsi que des contenus et des services créent des environnements hétérogènes de plus en plus complexes. Dans ce contexte, un compromis entre la mobilité, la transparence et la performance apparaît. Des utilisateurs mobiles, ayant différents profils et préférences, voudraient être toujours connectés au meilleur réseau à tout moment, sans avoir à se soucier des différentes transitions entre réseaux hétérogènes. Face à cette complexité, il parait nécessaire de proposer de nouvelles approches afin de rendre ces systèmes plus autonomes et de rendre les décisions de handover vertical plus efficaces. Cette thèse se concentre sur la gestion de mobilité verticale, plus précisément sur la prise de décision de handover vertical dans un environnement de réseaux hétérogènes sans fil. Après l identification des différents paramètres de prise de décision et l analyse de l état de l art relié à la gestion de la mobilité verticale, nous avons proposé un système de réputation qui permet de réduire les délais de prise de décision. La réputation d un réseau est introduite comme une nouvelle métrique de prise de décision qui peut être recueillie à partir des expériences précédentes des utilisateurs sur ce réseau. Nous montrons que la réputation est une métrique efficace qui permet l anticipation du handover et accélère la prise de décision. Bien que l objectif principal soit de garantir la meilleure qualité de service et l utilisation optimale des ressources radios, les aspects économiques doivent également être considérés, y compris la minimisation des coûts pour les utilisateurs et la maximisation des revenus pour les fournisseurs de services ou les opérateurs. Nous proposons alors, dans la deuxième partie de la thèse, un mécanisme de prise de décision basé sur la théorie des jeux. Ce dernier permet la maximisation des utilités des réseaux et des utilisateurs. Dans cette solution, chaque réseau disponible joue un jeu de Stackelberg avec un ensemble d utilisateurs, tandis que les utilisateurs jouent un jeu de Nash entre eux pour partager les ressources radios limitées. Un point d équilibre de Nash, qui maximise l utilité de l utilisateur et les revenus des fournisseurs de services, est trouvé et utilisé pour le contrôle d admission et la prise de décision de handover vertical. Dans la troisième partie de cette thèse, nous proposons et discutons deux différentes solutions architecturales sur lesquelles nos mécanismes de prise de décision proposés peuvent être intégrés. La première architecture proposée est basée sur la norme IEEE 802.21 à laquelle nous proposons certaines extensions. La seconde architecture proposée est basée sur un niveau de contrôle composé de deux couches de virtualisation. La virtualisation est assurée via des agents capables de faire un raisonnement et de prendre des décisions pour le compte d entités physiques qu ils représentent au sein du système. Cette architecture permet une plus grande flexibilitéMobility management over heterogeneous wireless networks is becoming a major interest area as new technologies and services continue to proliferate within the wireless networking market. In this context, seamless mobility is considered to be crucial for ubiquitous computing. Service providers aim to increase the revenue and to improve users satisfaction. However there are still many technical and architectural challenges to overcome before achieving the required interoperability and coexistence of heterogeneous wireless access networks. Indeed, the context of wireless networks is offering multiple and heterogeneous technologies (e.g. 2G to 4G, WiFi, Wimax, TETRA,...). On the one hand, this rich environment allows users to take profit from different capacities and coverage characteristics. Indeed, this diversity can provide users with high flexibility and allow them to seamlessly connect at any time and any where to the access technology that best fits their requirements. Additionally, cooperation between these different technologies can provide higher efficiency in the usage of the scarce wireless resources offering more economic systems for network providers. On the other hand, the heterogeneity of technologies and architectures and the multiplication of networks and service providers creates a complex environment where cooperation becomes challenging at different levels including and not limited to mobility management, radio resource provisioning, Quality of Service and security guarantees. This thesis is focusing on mobility management and mainly on decision making for Vertical handover within heterogeneous wireless network environments. After the analysis of the related state of the art, we first propose a reputation based approach that allows fast vertical handover decision making. A decision making scheme is then built on that approach. Network s reputation, is a new metric that can be gathered from previous users experiences in the networks. We show that it is an efficient construct to speed up the vertical handover decision making thanks to anticipation functionalities. While the main objective remains guaranteeing the best Quality of Service and optimal radio resource utilization, economical aspects have also to be considered including cost minimization for users and revenue maximization for network providers. For this aim, we propose, in the second part of the thesis, a game theoretic based scheme that allows maximizing benefits for both networks and users. In this solution, each available network plays a Stackelberg game with a finite set of users, while users are playing a Nash game among themselves to share the limited radio resources. A Nash equilibrium point, that maximizes the user s utility and the service provider revenue, is found and used for admission control and vertical handover decision making. The analyses of the optimal bandwidth/prices and the revenue at the equilibrium point show that there are some possible policies to use according to user s requirements in terms of QoS and to network capacities. For instance, we pointed out that networks having same capacities and different reputation values should charge users with different prices which makes reputation management very important to attract users and maximize networks revenue. In the third part of this thesis, we provide and discuss two different architectural and implementation solutions on which our proposed vertical handover decision mechanisms can be integrated. The first proposed architecture is a centralized one. It is based on the IEEE 802.21 standard to which some extensions are proposed. The second proposed architecture is distributed. It is based on an overlay control level composed of two virtualization layers able to make reasoning on behalf of physical entities within the system. This architecture allows higher flexibility especially for loosely coupled interconnected networksEVRY-INT (912282302) / SudocSudocFranceF

Mobilidade distribuida em ambientes dinâmicos

Mestrado em Engenharia Eletrónica e TelecomunicaçõesConventional networks have implemented a specific hierarchical structure, which in many cases deals with centralized mobility anchoring models to ensure IP session continuity. In this context, mobility management demands the existence of a centralized and static anchor point to allow reachability to mobile nodes connected to distinct networks. However, such centralized element is a single point of failures, introducing longer delays and higher management signalling. It may be more vulnerable to attacks, causing problems in the system. For this reason, mobility management addressed to centralized models is a satisfactory and non-optimal solution when mobile networks become less hierarchical. In order to improve mobility management to meet the requirements in mobile network evolution, there have been proposed solutions to distribute the anchor points closer to the end-user. This way, distributed and dynamic mobility anchoring improves scalability and availability, avoiding single points of failure and bottlenecks, as well as enabling transparent mobility support. In this framework, it is idealized and implemented a set of Vehicular scenarios using two different types of mobility management models, one centralized and another distributed. The results shows that the distributed mobility management protocol provides better results in terms of data loss, average data delay, data cost and signaling cost, when compared with the centralized mobility management protocol. The rapid growth of mobile nodes has lead to the increase of mobile data traffic consumption, and they are currently equipped with multiple network interfaces, which in many cases use different access technologies simultaneously. Therefore, session continuity of a certain user's services should be guaranteed independently of the access network technology. Consequently, there is a fundamental change in the network architectures, which is adopting flatten model to cope with users' behaviour and the evolution of the mobile data traffic consumption. Thus, it is specified a distributed mobility management scheme with multihoming support to provide continuity to active sessions when mobile nodes roam between networks/interfaces. This mobility mechanism is evaluated and tested in a real environment, demonstrating the capability to provide uninterrupted sessions for multihomed scenarios, such as the addition/removal of a link, likewise the capability to improve user experience.As redes de telecomunicações sem fios convencionais têm implementada uma estrutura hierárquica específica que em muitos casos lida com entidades centralizadas para garantirem continuidade de sessão e acessibilidade nas comunicações IP. Neste contexto, a gestão de mobilidade exige que haja uma âncora central e estática para permitir que os nós móveis se encontrem acessíveis quando conectados nas diferentes redes. Porém, este elemento central é suscetível a falhas introduzindo maiores atrasos, exigindo uma maior gestão da sinalização, sendo mais vulnerável a ataques o que pode causar problemas no sistema. Por estas razões, à medida que as redes móveis se tornam cada vez menos hierárquicas, a gestão da mobilidade baseada em modelos centralizados torna-se menos otimizada. Para melhorar a gestão de mobilidade tendo em consideração as exigências evolutivas da rede, têm vindo a ser propostas soluções para distribuir as âncoras, colocando-as mais perto do utilizador final com o objetivo de tornar a rede menos hierárquica, descentralizando o processo de gestão de mobilidade de uma forma dinâmica pelos nós da rede. Desta forma, a mobilidade distribuída em ambientes dinâmicos melhora a escalabilidade, acessibilidade e evita pontos centrais de falhas e engarrafamentos. Neste contexto, são idealizados e implementados três cenários de redes veiculares usando dois modelos de gestão de mobilidade, um centralizado e outro distribuído. Os resultados mostram que o protocolo de gestão de mobilidade distribuído apresenta melhores resultados em termos de perda de pacotes, atraso médio por pacote, custo de dados e custo de sinalização quando comparado com o protocolo de gestão de mobilidade centralizado. O rápido crescimento de nós móveis tem levado ao aumento do consumo de trafego de dados e, atualmente, estes estão equipados com múltiplas interfaces que, em muitos casos, utilizam diferentes tecnologias de acesso à rede. No entanto, a continuidade de sessão de um determinado serviço deve ser garantido, independentemente da tecnologia de acesso utilizada. Consequentemente, há uma preocupação em transformar a arquitetura da rede em modelos menos hierárquicos para lidar com o comportamento dos utilizadores e com a evolução do consumo de tráfego de dados móveis. Desta forma, é especificado um esquema de gestão de mobilidade distribuída com suporte a múltiplas interfaces para manter continuidade de sessões quando os nós móveis mudam de rede ou interface. Este mecanismo de mobilidade foi avaliado e testado num cenário real, demonstrando a capacidade de manter as sessões ativas em cenários com múltiplas interfaces melhorando a experiência do utilizador, dando como exemplo cenários de perda de ligação, ligação a outras redes e ligar/desligar uma interface