Hajautettujen asiakasverkkoyhteyksien valvonta

Tässä diplomityössä tutkitaan kuinka verkonvalvonta voidaan toteuttaa hajautetussa järjestelmässä. Työssä perehdytään tavallisten tietojärjestelmien ja hajautettujen järjestelmien eroihin, kyseisten järjestelmien ominaispiirteisiin sekä käsitellään mitä verkonvalvonta on yleisellä tasolla ja miten se on yleensä toteutettu tavallisissa tietojärjestelmissä. Tutkitaan tarkemmin kuinka verkonvalvonta voidaan toteuttaa tehokkaasti hajautetussa järjestelmässä sekä mitä vaatimuksia ja haasteita verkonvalvonnassa esiintyy. Tutkimukseen valittiin myös kaksi hajautetun järjestelmän verkonvalvontaan kehitettyä valvontaohjelmistoa sekä yksi laitteistopohjainen ratkaisu joita tutkitaan ja vertaillaan tarkemmin.Selvitetään onko yrityksen kannattavaa ja valvonnan kannalta tehokasta ottaa tämänkaltaista järjestelmää käyttöön. Lopputuloksena työssä on esiteltyinä kuinka verkonvalvonta voidaan toteuttaa hajautetussa järjestelmässä ja miten olemassa olevat haasteet voidaan ratkaista. Toteutusvaihtoehdot tutkittiin ja niistä valittiin paras vaihtoehto (perfSONAR) toteutustavaksi kohdeorganisaation asiakasverkkoyhteyksien valvontaan. Lopuksi esitellään toteutussuunnitelma yrityksen asiakasyhteyksien valvomiseen tarkoitetulle verkonvalvonnalle.

ZigBee-verkot ja evaluointilaitteen suunnittelu

In this thesis a closer look at ZigBee wireless network protocol was made and a ZigBee evaluation device was designed and built for testing it. ZigBee is a digital wireless network technology published in 2004, which was developed for wireless control and automation systems. It is based on the IEEE 802.15.4-2003 standard, and its aim was to create a reliable wireless networking protocol with secure data transmissions, low power consumption and low manufacturing costs. The low power consumption requirement has also led to a slow data rate and a short range, but in a ZigBee network individual network devices can route messages to each other, so short range is not a problem. In automation and control systems a fast data rate is not usually an important requirement either. ZigBee network can form automatically and one ZigBee network can theoretically include thousands of devices, all of which can communicate with each other. ZigBee network is also self-healing, so an individual device dropping out of the network, like breaking down, does not affect functionality of the network. Evaluation device was designed and implemented in four different versions, which were tested with six different antenna designs. All antennas were tested at a range of 100 meters in an open terrain using two different frequencies and transmission powers. Also a range test was performed for selected antennas using transmission power of 4,5 dBm, which was maximum power of the ZigBee chip used in the evaluation device. Range test resulted in a measured range of several hundred meters, which can be considered as a good result for a short-range technology.

Testing of Access Network's Internet Protocol Television Features

Testaus on tänä päivänä olennainen osa tuotekehitysprosessia koko tuotteen elinkaaren ajan, myös tietoliikennetekniikassa. Tietoverkoille asetetut tiukat vaatimukset ympärivuorokautisen toimivuuden suhteen nostavatmyös niiden testauksen tason ja laadun merkitystä. Erityisesti verkkojen uudet toiminnallisuudet, joilla ei ole vielä vuosia kestäneen käytön ja kehityksen tuomaa varmuus- ja laatutasoa, tuovat haasteita testauksen toteutukselle. Televisiokuvan välityksen Internetin yli mahdollistavat ominaisuudet ovat esimerkki tällaisista toiminnallisuuksista. Tässä diplomityössä käsitellään Tellabs Oy:n tuotekehitysosastolla vuosina 2005 ja 2006 toteutetun, erään operaattorin laajakaistaliityntäverkon päivitysprojektin testausosuutta. Kattavamman tarkastelun kohteena ovat erityisesti verkkoon lisättyjen laajakaistatelevisio- eli IPTV-toiminnallisuuksien integraatio- ja systeemitestausmenetelmät.

Data-parallel computation in parallel and distributed environments

The past few decades have seen a considerable increase in the number of parallel and distributed systems. With the development of more complex applications, the need for more powerful systems has emerged and various parallel and distributed environments have been designed and implemented. Each of the environments, including hardware and software, has unique strengths and weaknesses. There is no single parallel environment that can be identified as the best environment for all applications with respect to hardware and software properties. The main goal of this thesis is to provide a novel way of performing data-parallel computation in parallel and distributed environments by utilizing the best characteristics of difference aspects of parallel computing. For the purpose of this thesis, three aspects of parallel computing were identified and studied. First, three parallel environments (shared memory, distributed memory, and a network of workstations) are evaluated to quantify theirsuitability for different parallel applications. Due to the parallel and distributed nature of the environments, networks connecting the processors in these environments were investigated with respect to their performance characteristics. Second, scheduling algorithms are studied in order to make them more efficient and effective. A concept of application-specific information scheduling is introduced. The application- specific information is data about the workload extractedfrom an application, which is provided to a scheduling algorithm. Three scheduling algorithms are enhanced to utilize the application-specific information to further refine their scheduling properties. A more accurate description of the workload is especially important in cases where the workunits are heterogeneous and the parallel environment is heterogeneous and/or non-dedicated. The results obtained show that the additional information regarding the workload has a positive impact on the performance of applications. Third, a programming paradigm for networks of symmetric multiprocessor (SMP) workstations is introduced. The MPIT programming paradigm incorporates the Message Passing Interface (MPI) with threads to provide a methodology to write parallel applications that efficiently utilize the available resources and minimize the overhead. The MPIT allows for communication and computation to overlap by deploying a dedicated thread for communication. Furthermore, the programming paradigm implements an application-specific scheduling algorithm. The scheduling algorithm is executed by the communication thread. Thus, the scheduling does not affect the execution of the parallel application. Performance results achieved from the MPIT show that considerable improvements over conventional MPI applications are achieved.

Improving distributed simulation in a workstation environment

Technological development brings more and more complex systems to the consumer markets. The time required for bringing a new product to market is crucial for the competitive edge of a company. Simulation is used as a tool to model these products and their operation before actual live systems are built. The complexity of these systems can easily require large amounts of memory and computing power. Distributed simulation can be used to meet these demands. Distributed simulation has its problems. Diworse, a distributed simulation environment, was used in this study to analyze the different factors that affect the time required for the simulation of a system. Examples of these factors are the simulation algorithm, communication protocols, partitioning of the problem, distributionof the problem, capabilities of the computing and communications equipment and the external load. Offices offer vast amounts of unused capabilities in the formof idle workstations. The use of this computing power for distributed simulation requires the simulation to adapt to a changing load situation. This requires all or part of the simulation work to be removed from a workstation when the owner wishes to use the workstation again. If load balancing is not performed, the simulation suffers from the workstation's reduced performance, which also hampers the owner's work. Operation of load balancing in Diworse is studied and it is shown to perform better than no load balancing, as well as which different approaches for load balancing are discussed.

Implementation of Signaling Gateway between Telephone Network and the Internet

Tässä diplomityössä perehdytään verkkoelementiltä, joka yhdistää H.323, MEGACO- ja ISUP-protokollia käyttävät tietoliikenneverkot toisiinsa, vaadittaviin ominaisuuksiin ja toiminnallisuuksiin. Tyypillisesti tällaista toiminnallisuutta tarvitaan IP- ja PSTN-verkkojen yhdistämisessä. Tarkastelu aloitetaan kuvaamalla PSTN-verkon signalointi ja rakenne, jatketaan kuvaamalla internet-protokollia käyttävä verkkoympäristö ja lopuksi perehdytään verkkoelementiltä vaadittaviin toiminnallisuuksiin, jotta PSTN ja MEGACO-pohjaiset verkot toimivat yhteen. Työn käytännöllisenä osuutena kuvataan osa viestisekvenssikaavioista, joita verkkoelementti toteuttaa puuttumatta kuitenkaan eri protokollien toimintaan viestien parametrien tasolla.

Collecting Transaction Data in a Fourth Generation Mobile Network

Tässä diplomityössä on oletettu että neljännen sukupolven mobiiliverkko on saumaton yhdistelmä olemassa olevia toisen ja kolmannen sukupolven langattomia verkkoja sekä lyhyen kantaman WLAN- ja Bluetooth-radiotekniikoita. Näiden tekniikoiden on myös oletettu olevan niin yhteensopivia ettei käyttäjä havaitse saanti verkon muuttumista. Työ esittelee neljännen sukupolven mobiiliverkkoihin liittyvien tärkeimpien langattomien tekniikoiden arkkitehtuurin ja perustoiminta-periaatteet. Työ kuvaa eri tekniikoita ja käytäntöjä tiedon mittaamiseen ja keräämiseen. Saatuja transaktiomittauksia voidaan käyttää tarjottaessa erilaistettuja palvelutasoja sekä verkko- ja palvelukapasiteetin optimoimisessa. Lisäksi työssä esitellään Internet Business Information Manager joka on ohjelmistokehys hajautetun tiedon keräämiseen. Sen keräämää mittaustietoa voidaan käyttää palvelun tason seurannassa j a raportoinnissa sekä laskutuksessa. Työn käytännön osuudessa piti kehittää langattoman verkon liikennettä seuraava agentti joka tarkkailisi palvelun laatua. Agentti sijaitsisi matkapuhelimessa mitaten verkon liikennettä. Agenttia ei kuitenkaan voitu toteuttaa koska ohjelmistoympäristö todettiin vajaaksi. Joka tapauksessa työ osoitti että käyttäjän näkökulmasta tietoa kerääville agenteille on todellinen tarve.

The Design and Implementation of Loudspeaker Control Network Protocols

The networking and digitalization of audio equipment has created a need for control protocols. These protocols offer new services to customers and ensure that the equipment operates correctly. The control protocols used in the computer networks are not directly applicable since embedded systems have resource and cost limitations. In this master's thesis the design and implementation of new loudspeaker control network protocols are presented. The protocol stack was required to be reliable, have short response times, configure the network automatically and support the dynamic addition and removal of loudspeakers. The implemented protocol stack was also required to be as efficient and lightweight as possible because the network nodes are fairly simple and lack processing power. The protocol stack was thoroughly tested, validated and verified. The protocols were formally described using LOTOS (Language of Temporal Ordering Specifications) and verified using reachability analysis. A prototype of the loudspeaker network was built and used for testing the operation and the performance of the control protocols. The implemented control protocol stack met the design specifications and proved to be highly reliable and efficient.

Radio Resource Management across UMTS Radio Network Subsystems

UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), esimerkkinä kolmannen sukupolven matkapuhelinjärjestelmästä pyrkii toistamaan GSM:n (Global System for Mobile Communications) menestyksen. UMTS:n kaupallinen toiminta on parhaillaan alkamassa ja ensimmäinen kaupallinen verkko on jo aloittanut toimintansa Japanissa. Tämä diplomityö antaa yleiskuvan UMTS:stä keskittyen radioverkkojärjestelmän (UMTS Terrestrial Radio Access Network,UTRAN) radioresurssien hallintaan (Radio Resource Management, RRM). Työssä kuvataan radiorajapintojen toimintaa, mutta diplomityön pääaiheena on kuitenkin radioresurssien hallinta UMTS radioaliverkkojärjestelmien ylitse. Radioresurssien hallinta pitää sisällään joukon proseduureja, jotka vaikuttavat koko UTRAN:in rakenteen lävitse. On hyvin tärkeää saavuttaa oikea toiminnallisuus hajautettujen radioresurssien hallintaan jotta voitaisiin saavuttaa paras yhteyden laatu loppukäyttäjälle. Työssä käydään yksityiskohtaisesti lävitse radioresurssien hallinnan perusperiaatteet ja joukko proseduureja. RNSAP (Radio Network Subsystem Application Part) protokollaa tarkastellaan työssä esimerkkinä protokollasta joka osallistuu radioresurssien hallintaprosessiin.

Transport Resource Management within UMTS Radio Network Subsystem

Tällä hetkellä haastavin telekommunikaatioteollisuuden tutkimus – ja kehitystoiminta on keskittynyt kolmannen sukupolven matkapuhelinjärjestelmien ympärille. Järjestelmien standardointityössä on saatu aikaiseksi ensimmäiset vakaat spesifikaatioversiot ja kaupallista toimintaa ollaan parhaillaan aloittelemassa Japanissa ja Euroopassa. Eräs kolmannen sukupolven järjestelmistä on UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Tämä diplomityö antaa yleiskuvan UMTS järjestelmästä ja sen eri verkkoelementtien toiminnallisuuksista. Päähuomio on kiinnitetty radioverkkojärjestelmään (UMTS Terrestrial Radio Access Network) ja erityisesti sen radioaliverkkojärjestelmään (Radio Network Subsystem), joka koostuu radioverkonohjaimesta (Radio Network Controller) ja joukosta siihen kuuluvia tukiasemia (Node B). Radioverkonohjain ja tukiasemat on yhdistetty avoimen rajapinnan kautta jota kutsutaan Iub -rajapinnaksi. Rajapinta tarjoaa radioverkonohjaimelle mahdollisuuden kontrolloida tukiasemia signalointiviestien avulla ja mahdollistaa tehokkaan ja luotettavan käyttäjätiedon siirron radioaliverkkojärjestelmän sisällä. Tämän diplomityön pääasiallinen sisältö on siirtoresurssien hallinta Iub -rajapinnan ylitse. Työssä esitellään ja selitetään siirtoverkon arkkitehtuuri. Myös kaikki Iub:ssä sijaitsevat protokollat ja toiminnalliset yksiköt jotka vaikuttavat siirtoresurssien hallintaan esitellään ja kuvataan yksityiskohtaisesti. Päähuomio on kiinnitetty sovellusprotokolliin sekä rajapinnan siirtoverkko- että radioverkkokerroksella sekä näiden protokollien väliseen vuorovaikutukseen. Kyseiset protokollat ovat Node B Application Part (NBAP) ja Access Link Control Application Part (ALCAP). Työn toteutusosassa käydään lävitse NBAP –protokollan prototyypin ja Node B Manager –toiminnallisen yksikön prototyypin implementaatio.

Adaptive Protocol Stacks for Mobile Devices

Tulevaisuudessa siirrettävät laitteet, kuten matkapuhelimet ja kämmenmikrot, pystyvät muodostamaan verkkoyhteyden käyttäen erilaisia yhteysmenetelmiä eri tilanteissa. Yhteysmenetelmillä on toisistaan poikkeavat viestintäominaisuudet mm. latenssin, kaistanleveyden, virhemäärän yms. suhteen. Langattomille yhteysmenetelmille on myös ominaista tietoliikenneyhteyden ominaisuuksien voimakas muuttuminen ympäristön suhteen. Parhaan suorituskyvyn ja käytettävyyden saavuttamiseksi, on siirrettävän laitteen pystyttävä mukautumaan käytettyyn viestintämenetelmään ja viestintäympäristössä tapahtuviin muutoksiin. Olennainen osa tietoliikenteessä ovat protokollapinot, jotka mahdollistavat tietoliikenneyhteyden järjestelmien välillä tarjoten verkkopalveluita päätelaitteen käyttäjäsovelluksille. Jotta protokollapinot pystyisivät mukautumaan tietyn viestintäympäristön ominaisuuksiin, on protokollapinon käyttäytymistä pystyttävä muuttamaan ajonaikaisesti. Perinteisesti protokollapinot ovat kuitenkin rakennettu muuttumattomiksi niin, että mukautuminen tässä laajuudessa on erittäin vaikeaa toteuttaa, ellei jopa mahdotonta. Tämä diplomityö käsittelee mukautuvien protokollapinojen rakentamista käyttäen komponenttipohjaista ohjelmistokehystä joka mahdollistaa protokollapinojen ajonaikaisen muuttamisen. Toteuttamalla esimerkkijärjestelmän, ja mittaamalla sen suorituskykyä vaihtelevassa tietoliikenneympäristössä, osoitamme, että mukautuvat protokollapinot ovat mahdollisia rakentaa ja ne tarjoavat merkittäviä etuja erityisesti tulevaisuuden siirrettävissä laitteissa.

Investigation of interface between Multimedia IP Network and Call Processing Server in 3G IP Telephony Core Network

The thesis presents an overview of third generation of IP telephony. The architecture of 3G IP Telephony and its components are described. The main goal of the thesis is to investigate the interface between the Call Processing Server and Multimedia IP Networks. The interface functionality, proposed protocol stack and a general description are presented in the thesis. To provide useful services, 3G IP Telephony requires a set of control protocols for connection establishment, capabilities exchange and conference control. The Session Initiation Protocol (SIP) and the H.323 are two protocols that meet these needs. In the thesis these two protocols are investigated and compared in terms of Complexity, Extensibility, Scalability, Services, Resource Utilization and Management.

Local Services in a Fourth Generation Mobile Network

Neljännen sukupolven mobiiliverkot kokoaa kaikki tietoliikenneverkot ja palvelut Internetin ympärille. Tämä mullistus muuttaa vanhat vertikaaliset tietoliikenneverkot joissa yhden tietoliikenneverkon palvelut ovat saatavissa vain kyseisen verkon päätelaitteille horisontaaliseksi malliksi jossa päätelaitteet käyttävät omaa verkkoansa pääsynä Internetin palveluihin. Tämä diplomityö esittelee idean paikallisista palveluista neljännen sukupolven mobiiliverkossa. Neljännen sukupolven mobiiliverkko yhdistää perinteiset televerkkojen palvelut ja Internet palvelut sekä mahdollistaa uuden tyyppisten palveluiden luonnin. TCP/IP protokollien ja Internetin evoluutio on esitelty. Laajakaistaiset, lyhyen kantaman radiotekniikat joita käytetään langattomana yhteytenä Internetiin on käsitelty. Evoluutio kohti neljännen sukupolven mobiiliverkkoja on kuvattu esittelemällä vanhat, nykyiset ja tulevat mobiiliverkot sekä niiden palvelut. Ennustukset palveluiden ja markkinoiden tulevaisuuden kehityksestä on käsitelty. Neljännen sukupolven mobiiliverkon arkkitehtuuri mahdollistaa paikalliset palvelut jotka ovat saatavilla vain yhdessä paikallisessa 4G verkossa. Paikalliset palvelut voidaan muunnella jokaiselle käyttäjälle erikseen käyttäen profiili-informaatiota ja paikkatietoa. Työssä on pohdittu paikallisten palveluiden käyttökelpoisuutta ja mahdollisuuksia käyttäen Lappeenrannan teknillisen korkeakoulun 4G projektin palvelupilotin tuloksia.

Mobile Protocol Stack Simulator

Nykypäivän maailma tukeutuu verkkoihin. Tietokoneverkot ja langattomat puhelimet ovat jo varsin tavallisia suurelle joukolle ihmisiä. Uusi verkkotyyppi on ilmestynyt edelleen helpottamaan ihmisten verkottunutta elämää. Ad hoc –verkot mahdollistavat joustavan verkonmuodostuksen langattomien päätelaitteiden välille ilman olemassa olevaa infrastruktuuria. Diplomityö esittelee uuden simulaatiotyökalun langattomien ad hoc –verkkojen simulointiin protokollatasolla. Se esittelee myös kyseisten verkkojen taustalla olevat periaatteet ja teoriat. Lähemmin tutkitaan OSI-mallin linkkikerroksen kaistanjakoprotokollia ad hoc –verkoissa sekä vastaavan toteutusta simulaattorissa. Lisäksi esitellään joukko simulaatioajoja esimerkiksi simulaattorin toiminnasta ja mahdollisista käyttökohteista.

A System-Level Simulation Model for a Protocol Processor

As the development of integrated circuit technology continues to follow Moore’s law the complexity of circuits increases exponentially. Traditional hardware description languages such as VHDL and Verilog are no longer powerful enough to cope with this level of complexity and do not provide facilities for hardware/software codesign. Languages such as SystemC are intended to solve these problems by combining the powerful expression of high level programming languages and hardware oriented facilities of hardware description languages. To fully replace older languages in the desing flow of digital systems SystemC should also be synthesizable. The devices required by modern high speed networks often share the same tight constraints for e.g. size, power consumption and price with embedded systems but have also very demanding real time and quality of service requirements that are difficult to satisfy with general purpose processors. Dedicated hardware blocks of an application specific instruction set processor are one way to combine fast processing speed, energy efficiency, flexibility and relatively low time-to-market. Common features can be identified in the network processing domain making it possible to develop specialized but configurable processor architectures. One such architecture is the TACO which is based on transport triggered architecture. The architecture offers a high degree of parallelism and modularity and greatly simplified instruction decoding. For this M.Sc.(Tech) thesis, a simulation environment for the TACO architecture was developed with SystemC 2.2 using an old version written with SystemC 1.0 as a starting point. The environment enables rapid design space exploration by providing facilities for hw/sw codesign and simulation and an extendable library of automatically configured reusable hardware blocks. Other topics that are covered are the differences between SystemC 1.0 and 2.2 from the viewpoint of hardware modeling, and compilation of a SystemC model into synthesizable VHDL with Celoxica Agility SystemC Compiler. A simulation model for a processor for TCP/IP packet validation was designed and tested as a test case for the environment.