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

Exploiting the power of multiplicity: a holistic survey of network-layer multipath

The Internet is inherently a multipath network: For an underlying network with only a single path, connecting various nodes would have been debilitatingly fragile. Unfortunately, traditional Internet technologies have been designed around the restrictive assumption of a single working path between a source and a destination. The lack of native multipath support constrains network performance even as the underlying network is richly connected and has redundant multiple paths. Computer networks can exploit the power of multiplicity, through which a diverse collection of paths is resource pooled as a single resource, to unlock the inherent redundancy of the Internet. This opens up a new vista of opportunities, promising increased throughput (through concurrent usage of multiple paths) and increased reliability and fault tolerance (through the use of multiple paths in backup/redundant arrangements). There are many emerging trends in networking that signify that the Internet's future will be multipath, including the use of multipath technology in data center computing; the ready availability of multiple heterogeneous radio interfaces in wireless (such as Wi-Fi and cellular) in wireless devices; ubiquity of mobile devices that are multihomed with heterogeneous access networks; and the development and standardization of multipath transport protocols such as multipath TCP. The aim of this paper is to provide a comprehensive survey of the literature on network-layer multipath solutions. We will present a detailed investigation of two important design issues, namely, the control plane problem of how to compute and select the routes and the data plane problem of how to split the flow on the computed paths. The main contribution of this paper is a systematic articulation of the main design issues in network-layer multipath routing along with a broad-ranging survey of the vast literature on network-layer multipathing. We also highlight open issues and identify directions for future work

Boosting mobility performance with multi-path TCP

Proceeding of: Future Network & Mobile Summit 2010, 16 - 18 June 2010, Florence, ItalyFourth Generation mobile devices incorporate multiple interfaces with diverse access technologies. The current Mobile IP protocol fails to support the enhanced fault tolerance capabilities that are enabled by the availability of multiple interfaces. In particular, established Mobile IP communications cannot be preserved through outages affecting the Home Address. In this paper we describe an architecture for mobile host multihoming that enables transport layer survivability through multiple failure modes. The proposed approach relies on the cooperation between Mobile IP and Multi-Path TCP and aims to fully support multihoming and extend roaming capabilities of mobile devices.This research was supported by Trilogy (http://www.trilogy-project.org), a research project (ICT-216372) partially funded by the European Community under its Seventh Framework Programme.European Community's Seventh Framework ProgramNo publicad

A Survey on the Contributions of Software-Defined Networking to Traffic Engineering

Since the appearance of OpenFlow back in 2008, software-defined networking (SDN) has gained momentum. Although there are some discrepancies between the standards developing organizations working with SDN about what SDN is and how it is defined, they all outline traffic engineering (TE) as a key application. One of the most common objectives of TE is the congestion minimization, where techniques such as traffic splitting among multiple paths or advanced reservation systems are used. In such a scenario, this manuscript surveys the role of a comprehensive list of SDN protocols in TE solutions, in order to assess how these protocols can benefit TE. The SDN protocols have been categorized using the SDN architecture proposed by the open networking foundation, which differentiates among data-controller plane interfaces, application-controller plane interfaces, and management interfaces, in order to state how the interface type in which they operate influences TE. In addition, the impact of the SDN protocols on TE has been evaluated by comparing them with the path computation element (PCE)-based architecture. The PCE-based architecture has been selected to measure the impact of SDN on TE because it is the most novel TE architecture until the date, and because it already defines a set of metrics to measure the performance of TE solutions. We conclude that using the three types of interfaces simultaneously will result in more powerful and enhanced TE solutions, since they benefit TE in complementary ways.European Commission through the Horizon 2020 Research and Innovation Programme (GN4) under Grant 691567 Spanish Ministry of Economy and Competitiveness under the Secure Deployment of Services Over SDN and NFV-based Networks Project S&NSEC under Grant TEC2013-47960-C4-3-

Towards video streaming in IoT environments: vehicular communication perspective

Multimedia oriented Internet of Things (IoT) enables pervasive and real-time communication of video, audio and image data among devices in an immediate surroundings. Today's vehicles have the capability of supporting real time multimedia acquisition. Vehicles with high illuminating infrared cameras and customized sensors can communicate with other on-road devices using dedicated short-range communication (DSRC) and 5G enabled communication technologies. Real time incidence of both urban and highway vehicular traffic environment can be captured and transmitted using vehicle-to-vehicle and vehicle-to-infrastructure communication modes. Video streaming in vehicular IoT (VSV-IoT) environments is in growing stage with several challenges that need to be addressed ranging from limited resources in IoT devices, intermittent connection in vehicular networks, heterogeneous devices, dynamism and scalability in video encoding, bandwidth underutilization in video delivery, and attaining application-precise quality of service in video streaming. In this context, this paper presents a comprehensive review on video streaming in IoT environments focusing on vehicular communication perspective. Specifically, significance of video streaming in vehicular IoT environments is highlighted focusing on integration of vehicular communication with 5G enabled IoT technologies, and smart city oriented application areas for VSV-IoT. A taxonomy is presented for the classification of related literature on video streaming in vehicular network environments. Following the taxonomy, critical review of literature is performed focusing on major functional model, strengths and weaknesses. Metrics for video streaming in vehicular IoT environments are derived and comparatively analyzed in terms of their usage and evaluation capabilities. Open research challenges in VSV-IoT are identified as future directions of research in the area. The survey would benefit both IoT and vehicle industry practitioners and researchers, in terms of augmenting understanding of vehicular video streaming and its IoT related trends and issues