Softswitch: el núcleo de las redes convergentes

La infraestructura de las comunicaciones públicas conmutadas en la actualidad consiste en una variedad de diferentes redes, tecnologías y sistemas, la mayoría de las cuales se basan sobre estructuras de conmutación de circuitos. La tecnología evoluciona hacia redes basadas en paquetes y los proveedores de servicio necesitan la habilidad para interconectar sus clientes sin perder la fiabilidad, conveniencia y funcionalidad de las redes telefónicas públicas conmutadas. La tecnología Softswitch resulta de enfocar estas necesidades. La evolución de las redes de comunicaciones públicas nos sitúa en las redes de conmutación de circuitos que predominan en la actualidad, como la red pública telefónica conmutada. Sin embargo, la próxima generación de redes nos transportará a redes convergentes basadas en paquetes como la red Internet. La idea es proporcionar una diversidad de servicios de comunicaciones basados en IP2 equivalentes a los servicios de redes tradicionales por su calidad y facilidad de uso. En dichas redes convergentes, actuales y futuras, se tienen que fijar las normas, y los protocolos que permitan ofrecer un rango completo de servicios de calidad sobre redes de paquetes. La definición de un estándar común es fundamental para permitir la configuración, gestión y despliegue de servicios extremo a extremo con calidad de operador sobre redes multi-vendedor y en un entorno de inter-funcionamiento con distintos operadores

Rate Control State-of-the-art Survey

The majority of Internet traffic use Transmission Control Protocol (TCP) as the transport level protocol. It provides a reliable ordered byte stream for the applications. However, applications such as live video streaming place an emphasis on timeliness over reliability. Also a smooth sending rate can be desirable over sharp changes in the sending rate. For these applications TCP is not necessarily suitable. Rate control attempts to address the demands of these applications. An important design feature in all rate control mechanisms is TCP friendliness. We should not negatively impact TCP performance since it is still the dominant protocol. Rate Control mechanisms are classified into two different mechanisms: window-based mechanisms and rate-based mechanisms. Window-based mechanisms increase their sending rate after a successful transfer of a window of packets similar to TCP. They typically decrease their sending rate sharply after a packet loss. Rate-based solutions control their sending rate in some other way. A large subset of rate-based solutions are called equation-based solutions. Equation-based solutions have a control equation which provides an allowed sending rate. Typically these rate-based solutions react slower to both packet losses and increases in available bandwidth making their sending rate smoother than that of window-based solutions. This report contains a survey of rate control mechanisms and a discussion of their relative strengths and weaknesses. A section is dedicated to a discussion on the enhancements in wireless environments. Another topic in the report is bandwidth estimation. Bandwidth estimation is divided into capacity estimation and available bandwidth estimation. We describe techniques that enable the calculation of a fair sending rate that can be used to create novel rate control mechanisms.Peer reviewe

The Impact of SCTP on Server Scalability and Performance

The Stream Control Transmission Protocol (SCTP) is a newer transport protocol, having additional features to TCP. Although SCTP is an alternative transport protocol for the Session Initiation Protocol (SIP), we do not know how SCTP features influence SIP server scalability and performance. To estimate this, we measured the scalability and performance of two servers, an echo server and a simplified SIP server on Linux, comparing to TCP. Our measurements found that using SCTP does not significantly affect on data latency: approximately 0.3 ms longer for the handshake than that for TCP. However, server scalability in terms of the number of sustainable associations drops to 17-21%, or to 43% of TCP if we adjust the acceptable gap size of unordered data delivery

Improving the Quality of Real Time Media Applications through Sending the Best Packet Next

Real time media applications such as video conferencing are increasing in usage. These bandwidth intensive applications put high demands on a network and often the quality experienced by the user is sub-optimal. In a traditional network stack, data from an application is transmitted in the order that it is received. This thesis proposes a scheme called "Send the Best Packet Next (SBPN)" where the most important data is transmitted first and data that will not reach the receiver before an expiry time is not transmitted. In SBPN the packet priority and expiry time are added to a packet and used in conjunction with the Round Trip Time (RTT) to determine whether packets are sent, and in which order that they are sent. For example, it has been shown that audio is more important to users than video in video conferencing. SBPN could be considered to be Quality of Service (QoS) that is within an application data stream. This is in comparison to network routers that provide QoS to whole streams such as Voice over IP (VoIP), but do not differentiate between data items within the stream or which data gets transmitted by the end nodes. Implementation of SBPN can be done on the server only, so that much of the benefit for one way transmission (e.g. live television) can be gained without requiring existing clients to be changed. SBPN was implemented in a Linux kernel on top of Datagram Congestion Control Protocol (DCCP) and compared to existing solutions. This showed real improvement in the measured quality of audio with a maximum improvement of 15% in selected test scenarios

Delay-centric handover in SCTP

The introduction of the Stream Control Transmission Protocol (SCTP) has opened the possibility of a mobile aware transport protocol. The multihoming feature of SCTP negates the need for a solution such as Mobile IP and, as SCTP is a transport layer protocol, it adds no complexity to the network. Utilizing the handover procedure of SCTP, the large bandwidth of WLAN can be exploited whilst in the coverage of a hotspot, and still retain the 3G connection for when the user roams out of the hotspot’s range. All this functionality is provided at the transport layer and is transparent to the end user, something that is still important in non-mobile-aware legacy applications. However, there is one drawback to this scenario - the current handover scheme implemented in SCTP is failure-centric in nature. Handover is only performed in the presence of primary destination address failure. This dissertation proposes a new scheme for performing handover using SCTP. The handover scheme being proposed employs an aggressive polling of all destination addresses within an individual SCTP association in order to determine the round trip delay to each of these addresses. It then performs handover based on these measured path delays. This delay-centric approach does not incur the penalty associated with the current failover-based scheme, namely a number of timeouts before handover is performed. In some cases the proposed scheme can actually preempt the path failure, and perform handover before it occurs. The proposed scheme has been evaluated through simulation, emulation, and within the context of a wireless environment

Enhanced transport protocols for real time and streaming applications on wireless links

Real time communications have, in the last decade, become a highly relevant component of Internet applications and services, with both interactive communications and streamed content being used in developed and developing countries alike. Due to the proliferation of mobile devices, wireless media is becoming the means of transmitting a large part of this increasingly important real time communications traffic. Wireless has also become an important technology in developing countries, with satellite communications being increasingly deployed for traffic backhaul and ubiquitous connection to the Internet. A number of issues need to be addressed in order to have an acceptable service quality for real time communications in wireless environments. In addition to this, the availability of multiple wireless interfaces on mobile devices presents an opportunity to improve and further exacerbates the issues already present on single wireless links. Therefore in this thesis, we consider improvements to transport protocols for real time communications and streaming services to address these problems and we provide the following contributions. To deal with wireless link issues of errors and delay, we propose two enhancements. First, an improvement technique for Datagram Congestion Control Protocol CCID4 for long delay wireless (e.g. satellite) links, demonstrating significant performance improvements for Voice over IP applications. To deal with link errors, we have proposed, implemented and evaluated an erasure coding based packet error correction approach for Concurrent Multipath Transfer extension of Stream Control Transport Protocol data transport over multiple wireless paths. We have identified packet reordering as a major cause of performance degradation in both single and multi-path transport protocols for real time communications and media streaming. We have proposed a dynamically resizable buffer based solution to mitigate this problem within the DCCP protocol. For improving the performance of multi-path transport protocols over dissimilar network paths, we have proposed a delay aware packet scheduling scheme, which significantly improves the performance of multimedia and bulk data transfer with CMT-SCTP in heterogeneous multi-path network scenarios. Finally, we have developed a tool for online streaming video quality evaluation experiments, comprising a real-time cross-layer video streaming technique implemented within an open-source H.264 video encoder tool called x264

Reducing Internet Latency : A Survey of Techniques and their Merit

Bob Briscoe, Anna Brunstrom, Andreas Petlund, David Hayes, David Ros, Ing-Jyh Tsang, Stein Gjessing, Gorry Fairhurst, Carsten Griwodz, Michael WelzlPeer reviewedPreprin

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