Towards the Practical Implementation of Throughput-Optimal Traffic Engineering in Software Defined Networks

Broadband Wireless Networking topics: 5G, wireless underground sensor networks, software defined networkingThe new emerging networking paradigm of Software Defined Networks, a solution that separates the network control plane from the data forwarding plane, has been the main focus of recently research works. Nevertheless, Traffic Engineering is an important problem to optimize the network performance, especially for a centralized controlled network such as the SDN, by dynamically analyzing, predicting, and regulating the behavior of data transmitted over that network. Therefore, a first version of a new TE management tool called TECS-SENNA - Traffic Engineering Control System for SDN/OpenFlow Networks - is being developed. The connection of TEs with the tool provides a dynamically and globally optimized network resource allocation in such a way that the overall performance can be improved, including throughput, latency, stability, and load balancing, while satisfying the per-flow QoS requirements.El nuevo paradigma de redes emergente llamado Software Defined Networks, una solución que separa el plano de control del plano de envío de datos, ha sido el único foco principal de las recientes investigaciones. Sin embargo, la ingeniería de tráfico es un problema importante para optimizar el rendimiento de la red, especialmente para redes centralizadas y controladas como las redes SDN, analizando, prediciendo y regulando dinámicamente el comportamiento de los datos transmitidos a través de la red. Por eso, en este proyecto se ha construido una primera versión de una nueva herramienta de gestión de ingeniería de trafico llamada TECS-SENNA – Traffic Engineering Control System for SDN/OpenFlow Networkds. La conexión de ingeniería de tráfico con la herramienta proporciona una optimización de la asignación de recursos de red de manera global y dinámica, para que el rendimiento pueda ser mejorado, incluyendo la candencia, la latencia, la estabilidad y el equilibrio de carga, y satisfaciendo los requisitos por flujo de la cualidad de servicio.El nou paradigma de xarxes emergent anomenat Software Defined Networks, una solució que separa el pla de control del pla d’enviament de dades, ha estat l’únic focus principal de les recerques recentment. Però l’enginyeria de trànsit és un problema important per tal d’optimitzar el rendiment de la xarxa, especialment per xarxes centralitzades i controlades com les xarxes SDN, analitzant, fent prediccions i regulant dinàmicament el comportament de les dades transmeses a través de la xarxa. Per això, en aquest projecte s’ha construït una primera versió d’una nova eina de gestió d’enginyeria de trànsit anomenada TECS-SENNA – Traffic Engineering Control System for SDN/OpenFlow Networks. La connexió de l’enginyeria de trànsit amb l’eina proporciona una optimització de l’assignació de recursos de xarxa de manera global i dinàmica per tal que el rendiment pugui ser millorat, incloent la cadència, la latència, l’estabilitat i l’equilibri de càrrega i satisfent els requisits per flux de qualitat de servei

Softair: Software-defined networking and network function virtualization solutions for 5g cellular systems

One of the main building blocks and major challenges for 5G cellular systems is the design of flexible network architectures, which can be realized by the paradigm of software-defined networking (SDN) and network function virtualization (NFV). Existing commercial cellular systems rely on closed and inflexible hardware-based architectures both at the radio frontend and in the core network. These problems significantly delay the adoption and deployment of new standards, impose great challenges in implementing new techniques to maximize the network capacity and coverage, and prevent provisioning of truly-differentiated services for highly variable traffic patterns. The objective of this thesis is to introduce an innovative software-defined architecture for 5G cellular systems, called SoftAir. First, a detailed overview is provided for priori wireless SDN architecture solutions. Second, the SoftAir architecture is introduced with key design elements. Third, four essential management tools for SoftAir are developed. Last, novel software-defined traffic engineering, enabled by SoftAir, are proposed. Through the synergy of SDN and NFV, SoftAir enables the next-generation cellular networks with the needed flexibility for evolving and adapting to the ever-changing network context, and lays out the foundation for 5G wireless software-defined cellular systems.Ph.D.Ph.D

Dynamic bandwidth allocation in multi-class IP networks using utility functions.

PhDAbstact not availableFujitsu Telecommunications Europe Lt

Broadcast-oriented wireless network-on-chip : fundamentals and feasibility

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2015-2016, àmbit Enginyeria de les TICRecent years have seen the emergence and ubiquitous adoption of Chip Multiprocessors (CMPs), which rely on the coordinated operation of multiple execution units or cores. Successive CMP generations integrate a larger number of cores seeking higher performance with a reasonable cost envelope. For this trend to continue, however, important scalability issues need to be solved at different levels of design. Scaling the interconnect fabric is a grand challenge by itself, as new Network-on-Chip (NoC) proposals need to overcome the performance hurdles found when dealing with the increasingly variable and heterogeneous communication demands of manycore processors. Fast and flexible NoC solutions are needed to prevent communication become a performance bottleneck, situation that would severely limit the design space at the architectural level and eventually lead to the use of software frameworks that are slow, inefficient, or less programmable. The emergence of novel interconnect technologies has opened the door to a plethora of new NoCs promising greater scalability and architectural flexibility. In particular, wireless on-chip communication has garnered considerable attention due to its inherent broadcast capabilities, low latency, and system-level simplicity. Most of the resulting Wireless Network-on-Chip (WNoC) proposals have set the focus on leveraging the latency advantage of this paradigm by creating multiple wireless channels to interconnect far-apart cores. This strategy is effective as the complement of wired NoCs at moderate scales, but is likely to be overshadowed at larger scales by technologies such as nanophotonics unless bandwidth is unrealistically improved. This dissertation presents the concept of Broadcast-Oriented Wireless Network-on-Chip (BoWNoC), a new approach that attempts to foster the inherent simplicity, flexibility, and broadcast capabilities of the wireless technology by integrating one on-chip antenna and transceiver per processor core. This paradigm is part of a broader hybrid vision where the BoWNoC serves latency-critical and broadcast traffic, tightly coupled to a wired plane oriented to large flows of data. By virtue of its scalable broadcast support, BoWNoC may become the key enabler of a wealth of unconventional hardware architectures and algorithmic approaches, eventually leading to a significant improvement of the performance, energy efficiency, scalability and programmability of manycore chips. The present work aims not only to lay the fundamentals of the BoWNoC paradigm, but also to demonstrate its viability from the electronic implementation, network design, and multiprocessor architecture perspectives. An exploration at the physical level of design validates the feasibility of the approach at millimeter-wave bands in the short term, and then suggests the use of graphene-based antennas in the terahertz band in the long term. At the link level, this thesis provides an insightful context analysis that is used, afterwards, to drive the design of a lightweight protocol that reliably serves broadcast traffic with substantial latency improvements over state-of-the-art NoCs. At the network level, our hybrid vision is evaluated putting emphasis on the flexibility provided at the network interface level, showing outstanding speedups for a wide set of traffic patterns. At the architecture level, the potential impact of the BoWNoC paradigm on the design of manycore chips is not only qualitatively discussed in general, but also quantitatively assessed in a particular architecture for fast synchronization. Results demonstrate that the impact of BoWNoC can go beyond simply improving the network performance, thereby representing a possible game changer in the manycore era.Avenços en el disseny de multiprocessadors han portat a una àmplia adopció dels Chip Multiprocessors (CMPs), que basen el seu potencial en la operació coordinada de múltiples nuclis de procés. Generacions successives han anat integrant més nuclis en la recerca d'alt rendiment amb un cost raonable. Per a que aquesta tendència continuï, però, cal resoldre importants problemes d'escalabilitat a diferents capes de disseny. Escalar la xarxa d'interconnexió és un gran repte en ell mateix, ja que les noves propostes de Networks-on-Chip (NoC) han de servir un tràfic eminentment variable i heterogeni dels processadors amb molts nuclis. Són necessàries solucions ràpides i flexibles per evitar que les comunicacions dins del xip es converteixin en el pròxim coll d'ampolla de rendiment, situació que limitaria en gran mesura l'espai de disseny a nivell d'arquitectura i portaria a l'ús d'arquitectures i models de programació lents, ineficients o poc programables. L'aparició de noves tecnologies d'interconnexió ha possibilitat la creació de NoCs més flexibles i escalables. En particular, la comunicació intra-xip sense fils ha despertat un interès considerable en virtut de les seva baixa latència, simplicitat, i bon rendiment amb tràfic broadcast. La majoria de les Wireless NoC (WNoC) proposades fins ara s'han centrat en aprofitar l'avantatge en termes de latència d'aquest nou paradigma creant múltiples canals sense fils per interconnectar nuclis allunyats entre sí. Aquesta estratègia és efectiva per complementar a NoCs clàssiques en escales mitjanes, però és probable que altres tecnologies com la nanofotònica puguin jugar millor aquest paper a escales més grans. Aquesta tesi presenta el concepte de Broadcast-Oriented WNoC (BoWNoC), un nou enfoc que intenta rendibilitzar al màxim la inherent simplicitat, flexibilitat, i capacitats broadcast de la tecnologia sense fils integrant una antena i transmissor/receptor per cada nucli del processador. Aquest paradigma forma part d'una visió més àmplia on un BoWNoC serviria tràfic broadcast i urgent, mentre que una xarxa convencional serviria fluxos de dades més pesats. En virtut de la escalabilitat i del seu suport broadcast, BoWNoC podria convertir-se en un element clau en una gran varietat d'arquitectures i algoritmes poc convencionals que milloressin considerablement el rendiment, l'eficiència, l'escalabilitat i la programabilitat de processadors amb molts nuclis. El present treball té com a objectius no només estudiar els aspectes fonamentals del paradigma BoWNoC, sinó també demostrar la seva viabilitat des dels punts de vista de la implementació, i del disseny de xarxa i arquitectura. Una exploració a la capa física valida la viabilitat de l'enfoc usant tecnologies longituds d'ona milimètriques en un futur proper, i suggereix l'ús d'antenes de grafè a la banda dels terahertz ja a més llarg termini. A capa d'enllaç, la tesi aporta una anàlisi del context de l'aplicació que és, més tard, utilitzada per al disseny d'un protocol d'accés al medi que permet servir tràfic broadcast a baixa latència i de forma fiable. A capa de xarxa, la nostra visió híbrida és avaluada posant èmfasi en la flexibilitat que aporta el fet de prendre les decisions a nivell de la interfície de xarxa, mostrant grans millores de rendiment per una àmplia selecció de patrons de tràfic. A nivell d'arquitectura, l'impacte que el concepte de BoWNoC pot tenir sobre el disseny de processadors amb molts nuclis no només és debatut de forma qualitativa i genèrica, sinó també avaluat quantitativament per una arquitectura concreta enfocada a la sincronització. Els resultats demostren que l'impacte de BoWNoC pot anar més enllà d'una millora en termes de rendiment de xarxa; representant, possiblement, un canvi radical a l'era dels molts nuclisAward-winningPostprint (published version

Broadcast-oriented wireless network-on-chip : fundamentals and feasibility

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2015-2016, àmbit Enginyeria de les TICRecent years have seen the emergence and ubiquitous adoption of Chip Multiprocessors (CMPs), which rely on the coordinated operation of multiple execution units or cores. Successive CMP generations integrate a larger number of cores seeking higher performance with a reasonable cost envelope. For this trend to continue, however, important scalability issues need to be solved at different levels of design. Scaling the interconnect fabric is a grand challenge by itself, as new Network-on-Chip (NoC) proposals need to overcome the performance hurdles found when dealing with the increasingly variable and heterogeneous communication demands of manycore processors. Fast and flexible NoC solutions are needed to prevent communication become a performance bottleneck, situation that would severely limit the design space at the architectural level and eventually lead to the use of software frameworks that are slow, inefficient, or less programmable. The emergence of novel interconnect technologies has opened the door to a plethora of new NoCs promising greater scalability and architectural flexibility. In particular, wireless on-chip communication has garnered considerable attention due to its inherent broadcast capabilities, low latency, and system-level simplicity. Most of the resulting Wireless Network-on-Chip (WNoC) proposals have set the focus on leveraging the latency advantage of this paradigm by creating multiple wireless channels to interconnect far-apart cores. This strategy is effective as the complement of wired NoCs at moderate scales, but is likely to be overshadowed at larger scales by technologies such as nanophotonics unless bandwidth is unrealistically improved. This dissertation presents the concept of Broadcast-Oriented Wireless Network-on-Chip (BoWNoC), a new approach that attempts to foster the inherent simplicity, flexibility, and broadcast capabilities of the wireless technology by integrating one on-chip antenna and transceiver per processor core. This paradigm is part of a broader hybrid vision where the BoWNoC serves latency-critical and broadcast traffic, tightly coupled to a wired plane oriented to large flows of data. By virtue of its scalable broadcast support, BoWNoC may become the key enabler of a wealth of unconventional hardware architectures and algorithmic approaches, eventually leading to a significant improvement of the performance, energy efficiency, scalability and programmability of manycore chips. The present work aims not only to lay the fundamentals of the BoWNoC paradigm, but also to demonstrate its viability from the electronic implementation, network design, and multiprocessor architecture perspectives. An exploration at the physical level of design validates the feasibility of the approach at millimeter-wave bands in the short term, and then suggests the use of graphene-based antennas in the terahertz band in the long term. At the link level, this thesis provides an insightful context analysis that is used, afterwards, to drive the design of a lightweight protocol that reliably serves broadcast traffic with substantial latency improvements over state-of-the-art NoCs. At the network level, our hybrid vision is evaluated putting emphasis on the flexibility provided at the network interface level, showing outstanding speedups for a wide set of traffic patterns. At the architecture level, the potential impact of the BoWNoC paradigm on the design of manycore chips is not only qualitatively discussed in general, but also quantitatively assessed in a particular architecture for fast synchronization. Results demonstrate that the impact of BoWNoC can go beyond simply improving the network performance, thereby representing a possible game changer in the manycore era.Avenços en el disseny de multiprocessadors han portat a una àmplia adopció dels Chip Multiprocessors (CMPs), que basen el seu potencial en la operació coordinada de múltiples nuclis de procés. Generacions successives han anat integrant més nuclis en la recerca d'alt rendiment amb un cost raonable. Per a que aquesta tendència continuï, però, cal resoldre importants problemes d'escalabilitat a diferents capes de disseny. Escalar la xarxa d'interconnexió és un gran repte en ell mateix, ja que les noves propostes de Networks-on-Chip (NoC) han de servir un tràfic eminentment variable i heterogeni dels processadors amb molts nuclis. Són necessàries solucions ràpides i flexibles per evitar que les comunicacions dins del xip es converteixin en el pròxim coll d'ampolla de rendiment, situació que limitaria en gran mesura l'espai de disseny a nivell d'arquitectura i portaria a l'ús d'arquitectures i models de programació lents, ineficients o poc programables. L'aparició de noves tecnologies d'interconnexió ha possibilitat la creació de NoCs més flexibles i escalables. En particular, la comunicació intra-xip sense fils ha despertat un interès considerable en virtut de les seva baixa latència, simplicitat, i bon rendiment amb tràfic broadcast. La majoria de les Wireless NoC (WNoC) proposades fins ara s'han centrat en aprofitar l'avantatge en termes de latència d'aquest nou paradigma creant múltiples canals sense fils per interconnectar nuclis allunyats entre sí. Aquesta estratègia és efectiva per complementar a NoCs clàssiques en escales mitjanes, però és probable que altres tecnologies com la nanofotònica puguin jugar millor aquest paper a escales més grans. Aquesta tesi presenta el concepte de Broadcast-Oriented WNoC (BoWNoC), un nou enfoc que intenta rendibilitzar al màxim la inherent simplicitat, flexibilitat, i capacitats broadcast de la tecnologia sense fils integrant una antena i transmissor/receptor per cada nucli del processador. Aquest paradigma forma part d'una visió més àmplia on un BoWNoC serviria tràfic broadcast i urgent, mentre que una xarxa convencional serviria fluxos de dades més pesats. En virtut de la escalabilitat i del seu suport broadcast, BoWNoC podria convertir-se en un element clau en una gran varietat d'arquitectures i algoritmes poc convencionals que milloressin considerablement el rendiment, l'eficiència, l'escalabilitat i la programabilitat de processadors amb molts nuclis. El present treball té com a objectius no només estudiar els aspectes fonamentals del paradigma BoWNoC, sinó també demostrar la seva viabilitat des dels punts de vista de la implementació, i del disseny de xarxa i arquitectura. Una exploració a la capa física valida la viabilitat de l'enfoc usant tecnologies longituds d'ona milimètriques en un futur proper, i suggereix l'ús d'antenes de grafè a la banda dels terahertz ja a més llarg termini. A capa d'enllaç, la tesi aporta una anàlisi del context de l'aplicació que és, més tard, utilitzada per al disseny d'un protocol d'accés al medi que permet servir tràfic broadcast a baixa latència i de forma fiable. A capa de xarxa, la nostra visió híbrida és avaluada posant èmfasi en la flexibilitat que aporta el fet de prendre les decisions a nivell de la interfície de xarxa, mostrant grans millores de rendiment per una àmplia selecció de patrons de tràfic. A nivell d'arquitectura, l'impacte que el concepte de BoWNoC pot tenir sobre el disseny de processadors amb molts nuclis no només és debatut de forma qualitativa i genèrica, sinó també avaluat quantitativament per una arquitectura concreta enfocada a la sincronització. Els resultats demostren que l'impacte de BoWNoC pot anar més enllà d'una millora en termes de rendiment de xarxa; representant, possiblement, un canvi radical a l'era dels molts nuclisAward-winningPostprint (published version

On the scalability of LISP and advanced overlaid services

In just four decades the Internet has gone from a lab experiment to a worldwide, business critical infrastructure that caters to the communication needs of almost a half of the Earth's population. With these figures on its side, arguing against the Internet's scalability would seem rather unwise. However, the Internet's organic growth is far from finished and, as billions of new devices are expected to be joined in the not so distant future, scalability, or lack thereof, is commonly believed to be the Internet's biggest problem. While consensus on the exact form of the solution is yet to be found, the need for a semantic decoupling of a node's location and identity, often called a location/identity separation, is generally accepted as a promising way forward. Typically, this requires the introduction of new network elements that provide the binding of the two names-paces and caches that avoid hampering router packet forwarding speeds. But due to this increased complexity the solution's scalability is itself questioned. This dissertation evaluates the suitability of using the Locator/ID Separation Protocol (LISP), one of the most successful proposals to follow the location/identity separation guideline, as a solution to the Internet's scalability problem. However, because the deployment of any new architecture depends not only on solving the incumbent's technical problems but also on the added value that it brings, our approach follows two lines. In the first part of the thesis, we develop the analytical tools to evaluate LISP's control plane scalability while in the second we show that the required control/data plane separation provides important benefits that could drive LISP's adoption. As a first step to evaluating LISP's scalability, we propose a methodology for an analytical analysis of cache performance that relies on the working-set theory to estimate traffic locality of reference. One of our main contribution is that we identify the conditions network traffic must comply with for the theory to be applicable and then use the result to develop a model that predicts average cache miss rates. Furthermore, we study the model's suitability for long term cache provisioning and assess the cache's vulnerability in front of malicious users through an extension that accounts for cache polluting traffic. As a last step, we investigate the main sources of locality and their impact on the asymptotic scalability of the LISP cache. An important finding here is that destination popularity distribution can accurately describe cache performance, independent of the much harder to model short term correlations. Under a small set of assumptions, this result finally enables us to characterize asymptotic scalability with respect to the amount of prefixes (Internet growth) and users (growth of the LISP site). We validate the models and discuss the accuracy of our assumptions using several one-day-long packet traces collected at the egress points of a campus and an academic network. To show the added benefits that could drive LISP's adoption, in the second part of the thesis we investigate the possibilities of performing inter-domain multicast and improving intra-domain routing. Although the idea of using overlaid services to improve underlay performance is not new, this dissertation argues that LISP offers the right tools to reliably and easily implement such services due to its reliance on network instead of application layer support. In particular, we present and extensively evaluate Lcast, a network-layer single-source multicast framework designed to merge the robustness and efficiency of IP multicast with the configurability and low deployment cost of application-layer overlays. Additionally, we describe and evaluate LISP-MPS, an architecture capable of exploiting LISP to minimize intra-domain routing tables and ensure, among other, support for multi protocol switching and virtual networks.En menos de cuatro décadas Internet ha evolucionado desde un experimento de laboratorio hasta una infraestructura de alcance mundial, de importancia crítica para negocios y que atiende a las necesidades de casi un tercio de los habitantes del planeta. Con estos números, es difícil tratar de negar la necesidad de escalabilidad de Internet. Sin embargo, el crecimiento orgánico de Internet está aún lejos de finalizar ya que se espera que mil millones de dispositivos nuevos se conecten en el futuro cercano. Así pues, la falta de escalabilidad es el mayor problema al que se enfrenta Internet hoy en día. Aunque la solución definitiva al problema está aún por definir, la necesidad de desacoplar semánticamente la localización e identidad de un nodo, a menudo llamada locator/identifier separation, es generalmente aceptada como un camino prometedor a seguir. Sin embargo, esto requiere la introducción de nuevos dispositivos en la red que unan los dos espacios de nombres disjuntos resultantes y de cachés que almacenen los enlaces temporales entre ellos con el fin de aumentar la velocidad de transmisión de los enrutadores. A raíz de esta complejidad añadida, la escalabilidad de la solución en si misma es también cuestionada. Este trabajo evalúa la idoneidad de utilizar Locator/ID Separation Protocol (LISP), una de las propuestas más exitosas que siguen la pauta locator/identity separation, como una solución para la escalabilidad de la Internet. Con tal fin, desarrollamos las herramientas analíticas para evaluar la escalabilidad del plano de control de LISP pero también para mostrar que la separación de los planos de control y datos proporciona un importante valor añadido que podría impulsar la adopción de LISP. Como primer paso para evaluar la escalabilidad de LISP, proponemos una metodología para un estudio analítico del rendimiento de la caché que se basa en la teoría del working-set para estimar la localidad de referencias. Identificamos las condiciones que el tráfico de red debe cumplir para que la teoría sea aplicable y luego desarrollamos un modelo que predice las tasas medias de fallos de caché con respecto a parámetros de tráfico fácilmente medibles. Por otra parte, para demostrar su versatilidad y para evaluar la vulnerabilidad de la caché frente a usuarios malintencionados, extendemos el modelo para considerar el rendimiento frente a tráfico generado por usuarios maliciosos. Como último paso, investigamos como usar la popularidad de los destinos para estimar el rendimiento de la caché, independientemente de las correlaciones a corto plazo. Bajo un pequeño conjunto de hipótesis conseguimos caracterizar la escalabilidad con respecto a la cantidad de prefijos (el crecimiento de Internet) y los usuarios (crecimiento del sitio LISP). Validamos los modelos y discutimos la exactitud de nuestras suposiciones utilizando varias trazas de paquetes reales. Para mostrar los beneficios adicionales que podrían impulsar la adopción de LISP, también investigamos las posibilidades de realizar multidifusión inter-dominio y la mejora del enrutamiento dentro del dominio. Aunque la idea de utilizar servicios superpuestos para mejorar el rendimiento de la capa subyacente no es nueva, esta tesis sostiene que LISP ofrece las herramientas adecuadas para poner en práctica de forma fiable y fácilmente este tipo de servicios debido a que LISP actúa en la capa de red y no en la capa de aplicación. En particular, presentamos y evaluamos extensamente Lcast, un marco de multidifusión con una sola fuente diseñado para combinar la robustez y eficiencia de la multidifusión IP con la capacidad de configuración y bajo coste de implementación de una capa superpuesta a nivel de aplicación. Además, describimos y evaluamos LISP-MPS, una arquitectura capaz de explotar LISP para minimizar las tablas de enrutamiento intra-dominio y garantizar, entre otras, soporte para conmutación multi-protocolo y redes virtuales

Website Performance Evaluation and Estimation in an E-business Environment

This thesis introduces a new Predictus-model for performance evaluation and estimation in a multi-layer website environment. The model is based on soft computing ideas, i.e. simulation and statistical analysis. The aim is to improve energy consumption of the website's hardware and investment efficiency and to avoid loss of availability. The aim of optimised exploitation is reduced energy and maintenance costs on the one hand and increased end-user satisfaction due to robust and stable web services on the other. A method based on simulation of user requests is described. Instead of ordinary static parameter set, the dynamic extraction from previous log files is used. The distribution of existing requests is exploited to generate the actual based natural load. By loading the server system with valid and well-known requests, the behaviour of the server system is natural. The control back loop on the generation of work load assures the validity of the work load in the long-term. A method for identifying the actual performance of the website is described. Using the well-known load in simulation of usage by a large number of virtual users and observing the utilisation rate of server resources ensure the best information for the internal state of the system. The disturbance of the service website usage can be avoided using the mathematical extrapolation method to reach the saturation point on the single server resource