An architecture for adaptive replication-based multimedia streaming in P2P networks

This PhD thesis addresses the issue of scalable media streaming in large-scale networking environments. Multimedia streaming is one of the largest sink of network resources and this trend is still growing as testified by the success of services like Skype, Netflix, Spotify and Popcorn Time (BitTorrent-based). In traditional client-server solutions, when the number of consumers increases, the server becomes the bottleneck. To overcome this problem, the Content-Delivery Network (CDN) model was invented. In CDN model, the server copies the media content to some CDN servers, which are located in different strategic locations on the network. However, they require heavy infrastructure investment around the world, which is too expensive. Peer-to-peer (P2P) solutions are another way to achieve the same result. These solutions are naturally scalable, since each peer can act as both a receiver and a forwarder. Most of the proposed streaming solutions in P2P networks focus on routing scenarios to achieve scalability. However, these solutions cannot work properly in video-on-demand (VoD) streaming, when resources of the media server are not sufficient. Replication is a solution that can be used in these situations. This thesis specifically provides a family of replication-based media streaming protocols, which are scalable, efficient and reliable in P2P networks. First, it provides SCALESTREAM, a replication-based streaming protocol that adaptively replicates media content in different peers to increase the number of consumers that can be served in parallel. The adaptiveness aspect of this solution relies on the fact that it takes into account different constraints like bandwidth capacity of peers to decide when to add or remove replicas. SCALESTREAM routes media blocks to consumers over a tree topology, assuming a reliable network composed of homogenous peers in terms of bandwidth. Second, this thesis proposes RESTREAM, an extended version of SCALESTREAM that addresses the issues raised by unreliable networks composed of heterogeneous peers. Third, this thesis proposes EAGLEMACAW, a multiple-tree replication streaming protocol in which two distinct trees, named EAGLETREE and MACAWTREE, are built in a decentralized manner on top of an underlying mesh network. These two trees collaborate to serve consumers in an efficient and reliable manner. The EAGLETREE is in charge of improving efficiency, while the MACAWTREE guarantees reliability. Finally, this thesis provides TURBOSTREAM, a hybrid replication-based streaming protocol in which a tree overlay is built on top of a mesh overlay network. Both these overlays cover all peers of the system and collaborate to improve efficiency and low-latency in streaming media to consumers. This protocol is implemented and tested in a real networking environment using PlanetLab Europe testbed composed of peers distributed in different places in Europe.

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.

IP Telephony in Third Generation Mobile Systems: Transport Layer Dimensioning

Tämä diplomityö käsittelee kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmien kuljetuskerroksen mitoitusta. Nykyisten matkapuhelinverkkojen korvaajiksi suunnitellut kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmät tulevat yhdistämään perinteisen puhelinviestinnän ja uudenlaiset datapalvelut. Uudet verkot tulevat perustumaan pakettivälitteiseen tiedonsiirtoon joka mahdollistaa molempien liikennetyyppien, puheen sekä datan, siirtämisen samassa verkossa. Tämän ratkaisun uskotaan tarjoavan paremmat mahdollisuudet uusien palvelujen luomiseen ja parantavan tiedonsiirtokapasiteettia. Siirtyminen pakettivälitteiseen tiedonsiirtoon aiheuttaa kuitenkin suuria muutoksia verkkoarkkitehtuurissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan tulevien runkoverkkojen mitoitukseen liittyviä näkökohtia sekä muodostetaan alustavia kuljetuskerroksen mitoitusohjeita. Diplomityö on tehty osaksi diplomi-insinöörin tutkintoa Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa. Työ on tehty Nokia Networksin palveluksessa Helsingissä, vuoden 2000 toisella puoliskolla.

Service Management in IP Networks

IP-verkoissa tarjottavat palvelut ovat lisääntyneet, on tullut uusia kanavia, jotka tarjoavat IP-pohjaisia palveluja. Internet-palvelujen tarjonta on tullut mukaan kaapelitelevisio- ja matkapuhelinverkkoihin. Lisääntynyt palvelujen tarjonta ja kysyntä ovat lisänneet palvelujen hallinnan merkitystä. IP-verkoissa on ilmennyt turvallisuuteen, skaalattavuuteen ja palvelun laatuun liittyviä ongelmia. Palvelun laadun tärkeys painottuu reaaliaikaisuutta ja suurta kapasiteettia vaativissa sovelluksissa. Tulevaisuudessa IP-liikenteen on ennustettu kasvavan yli satakertaiseksi nykyisestä tasosta kolmen vuoden kuluessa. Tämän vuoksi on kehitetty uusi verkon ja palvelun hallintamenetelmiä, joista tässä työssä on tutkittu sääntöpohjaista verkon hallintaa.

Secure IP-based Connection Solutions for Mobile Users

Tämä diplomityö tutkii turvallisia etäyhteystapoja yritysverkkoihin. Samanaikasesti kuin Internettiin liitetyt langattomat verkot, kuten langattomat lähiverkot ja pakettikytkentäiset matkapuhelinverkot, tulevat yhä yleisemmiksi, mahdollisuus etäyhteksien luomiseen näiden verkkojen kautta tulee yhä suositummaksi. Vaikka tietoverkot kehittyvät, pysyvät niitä uhkaavat yleisluontoiset uhat samoina. IP pohjaiset VPN-verkot ovat sopiva tapa suojata Internetin ylitse tapahtuvia etäyhteksiä. Eri VPN-ratkaisuja on kuitenkin tarjolla laaja valikoima. Oikean tyyppisen VPN-ratkaisun valinta on kriittistä, jotta yrityksen etäyhteystarpeet saadaan täytettyä. Diplomityö esittelee eräänä vaihtoehtona miten Pocket PC 2002 PDA laitetta ja Windows XP Professional käyttöjärjestelmää voidaan käyttää edullisen VPN ratkaisun toteuttamiseen.

IP Multicast in Future Mobile Networks

Erilaisten IP-pohjaisten palvelujen käyttö lisääntyy jatkuvasti samalla, kun käyttäjistä tulee yhä liikkuvaisempia. Tästä syystä IP- protokolla tulee väistämättä myös mobiiliverkkoihin. Tässä diplomityössä tutkitaan mobiliteetin IP multcastingiin tuomia ongelmia ja simuloidaan niitä Network Simulatoria käyttäen. Pääpaino on ongelmalla, joka aiheutuu multicast- ryhmänmuodostusviiveestä. Tätä ongelmaa simuloidaan, jotta viiveen, mobiilikäyttäjien palveluunsaapumistaajuuden ja Scalable Reliable Multicast (SRM) protokollan ajastinarvojen asetusten vaikutus repair request- pakettien määrään ja sitä kautta suoritettavien uudelleenlähetysten määrään selviäisi. Eri parametrien vaikutuksen tutkimiseksi esitetään simulaatiotuloksia varioiduilla parametreillä käyttäen CDF- käyriä. Tulosten perusteella merkittävin tekijä uudelleenlähetyspyyntöjen kannalta on protokollan ajastimien arvot ja haluttu palvelun taso, viiveen merkityksen jäädessä vähäiseksi. Työn lopuksi tutkitaan SRM- protokollan soveltuvuutta mobiiliverkkoihin ja pohditaan vaihtoehtoja toiminnan parantamiseksi.

Implementing telephony signalling over IP networks using SIGTRAN standards

Diplomityössä tutkitaan yhteiskanavamerkinantoverkon signalointiliikenteen siirtoa IP-pohjaisiin verkkoihin käyttäen IETF:n aliorganisaation, SIGTRAN:in, määrittelemiä standardeja. Tutkimuksen lisäksi työssä suoritetaan myös toteutus, joka mahdollistaa em. verkkojen yhdistymisen. Ensin työssä käsitellään yhteiskanavamerkinantoverkon tulevaisuus ja alan yleiset näkymät, jotka luovat pohjan työn toteutuksen ymmärtämiseen. Toiseksi työssä esitellään toteutuksessa käytetyt teknologiat. Esiteltäviin teknologioihin kuuluvat yhteiskanavamerkinantoverkko, IP-pohjainen verkko, SIGTRAN:in määrittelemät standardit, toteutustyökalut sekä ympäristö, johon toteutus liitetään. Toteutukseen olennaisesti liittyvät asiat ovat painotettuina teknologioiden esittelyssä. Diplomityön loppuosassa kuvataan merkinantoyhdyskäytävän toteutus suunnittelun ja toteutettujen toiminnallisuuksien osalta. Diplomityön tuloksena saatiin uusi testattu merkinantosovellus, joka täyttää yhteiskanavamerkinantoverkolle asetetut vaatimukset. Toteutus toimii osana Intellitel(TM) ONE palvelualustaa. Toteutuksen kehitys tulee jatkumaan.

SNMP:n hallintatietokantojen sisältämä palvelunlaatutieto IP- ja ATM-verkoissa

Tässä diplomityössä selvitetään SNMP:n (Simple Network Management Protocol) hallintatietokantojen sisältämiä palvelunlaatutietoja. Tarkastelun kohteena ovat IP:n (Internet Protocol) ja ATM:n (Asynchronous Transfer Mode) hallintatietokannat. Työn teoriaosassa tarkastellaan verkonhallinnan eri osa-alueita, TCP/IP-verkkojen (Transmission Control Protocol) hallintaan tarkoitettua SNMP-protokollaa ja sen eri versioita. Lisäksi käsitellään palvelunlaadun kannalta IP ja ATM-verkkojen erilaisia toteutuksia. Työn kokeellissa osassa arvioidaan eri hallintatietokantojen sisältöä palvelunlaadun kannalta. Työssä todetaan palvelunlaatutietojen puutteellisuus hallintatietokannoissa ja sekä IP:lle että ATM:lle toteutetaan soveltuvat hallintatietokannat.

Multimedia Messaging Service Center in a Component Based Architecture

Multimedia-sanomanvälityspalvelu (MMS) on matkapuhelinten väliseen viestintään kehitetty palvelu, joka mahdollistaa yhteyden Internet maailmaan. Multimedia-sanomanvälityspalvelua voidaan käyttää luomaan yhteys matkapuhelimen käyttäjän ja ulkoisen sovelluspalvelimen välille. MMS voidaan nähdä sovelluksena, joka yhdistää multimediaviestin luonnin, käsittelyn sekä toimituksen monelle eri sisältö tyypille. Multimedia-viestikeskus (MMSC) on uusi verkkoelementti, joka on vastuussa multimediaviestien varastoinnista ja toimituksesta. Multimedia-viestikeskuksella on kolme loogista elementtiä, jotka ovat välityspalvelin, sovellusrajapinnat ja matkapuhelinverkkorajapinta. Operaattorit sekä kolmannen osapuolen sovelluskehittäjät voivat kehittää lisäarvopalveluita multimedia-sanomanvälityspalvelulle hyödyntämällä sovellusrajapintoja. Sovellusrajapinnat perustuvat olemassa oleviin Internet protokolliin. Tämä diplomityö tutkii Multimedia-sanomanvälityspalvelun verkkoelementtien rajapintoja. Tulevaisuudessa on tarkoitus lisätä Multimedia-sanomanvälityspalvelun verkkoelementtejä sähköisen kaupankäynnin kehysarkkitehtuuriin, joka perustuu komponentteihin.

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.

Adding Value to Message Mediation in Multioperator MMS Network Architecture

Mobiiliviestintään käytetystä lyhytsanomapalvelusta (Short Messaging Service, SMS) on tullut ilmiömäinen menestys. SMS-palvelulle on tulossa seuraaja, jota kutsutaan monimediaviestipalveluksi (Multimedia Messaging Service, MMS). MMS-viestit voivat sisältää useita erilaisia kuva-, ääni- ja videoformaatteja. Vaikka yhteensopimattomia SMS-keskuksia yhdistämään tarvitaan Intellitel Messaging Gatewayn kaltaisia sanomanvälitystuotteita, ei tällainen SMS-keskeinen lähestyminen sanomanvälitykseen ole MMS-kykyisen sanomanvälittimen kannalta järkevä ratkaisu. MMS-kykyisen sanomanvälittimen täytyy lisätä arvoa itse sanomanvälitysprosessiin, jotta tuotteesta tulisi menestyksekäs. Tässä työssä käsitellään MMS-sanomanvälityksen ongelmallisuuksia. Erityisesti painotetaan MMS-kykyisen sanomanvälittimen kehittämistä olemassaolevasta SMS-sanomanvälitintuotteesta, sekä selvitetään syitä arvonlisäyksen välttämättömyydelle. Työssä esitetään myös erilaisia arvonlisäystapoja MMS-sanomanvälitykseen. Eräitä esitetyistä arvonlisäystavoista käytetään käytännön osassa toteutetussa Nokian MMS-keskuksen MM7/VAS-rajapintaan kytkeytymään kykenevässä sanomanvälityskomponentissa.

Delivery system for location based information in wireless IP networks

Tämä työ esittelee uuden tarjota paikasta riippuvaa tietoa langattomien tietoverkkojen käyttäjille. Tieto välitetään jokaiselle käyttäjälle tietämättä mitään käyttäjän henkilöllisyydestä. Sovellustason protokollaksi valittiin HTTP, joka mahdollistaa tämän järjestelmän saattaa tietoa perille useimmille käyttäjille, jotka käyttävät hyvinkin erilaisia päätelaitteita. Tämä järjestelmä toimii sieppaavan www-liikenteen välityspalvelimen jatkeena. Erilaisten tietokantojen sisällä on perusteella järjestelmä päättää välitetäänkö tietoa vai ei. Järjestelmä sisältää myös yksinkertaisen ohjelmiston käyttäjien paikantamiseksi yksittäisen tukiaseman tarkkuudella. Vaikka esitetty ratkaisu tähtääkin paikkaan perustuvien mainosten tarjoamiseen, se on helposti muunnettavissa minkä tahansa tyyppisen tiedon välittämiseen käyttäjille.

Performance Management of a Next Generation Network

Today's communication networks consist of numerous interdependent network components. To manage these networks and to ensure their reliable and efficient operation to meet the increasing customer usability demands, extensive network management tools are required from the service provider. The goal of this study was to adapt the Next Generation Network (NGN) providing VoIP services within a performance oriented network management system. This study focuses only on NGN network and the project was implemented as an assignment of the Network Operations Center of Elisa Corporation. The theoretical part of this study introduces the network environment of the Elisa NGN platform: its components and used signalling protocols as well as other exploitable communication protocols. In addition, the Simple Network Management Protocol (SNMP) is closely examined since it is commonly used as the basis of IP (Internet Protocol) network management. Also some primary applications enabled by the NGN technology are introduced. The empirical part of this study contains a short overview of the implemented network performance management system and its properties. The most crucial monitored MIB modules, SNMP parameters and implemented performance measurements are described. The trap topology and the role of the traps for management of the NGN platform are considered and finally, the conclusion based on the several disquisitions is made supported with suggestions for future improvements.

Security, Privacy and Anonymity in Legal Distribution of Copyrighted Multimedia Content over Peer-to-Peer Networks: A Brief Overview

Peer-reviewed

Power-line-communication-based data transmission concept for an LVDC electricity distribution network – Analysis and implementation

Communications play a key role in modern smart grids. New functionalities that make the grids ‘smart’ require the communication network to function properly. Data transmission between intelligent electric devices (IEDs) in the rectifier and the customer-end inverters (CEIs) used for power conversion is also required in the smart grid concept of the low-voltage direct current (LVDC) distribution network. Smart grid applications, such as smart metering, demand side management (DSM), and grid protection applied with communications are all installed in the LVDC system. Thus, besides remote connection to the databases of the grid operators, a local communication network in the LVDC network is needed. One solution applied to implement the communication medium in power distribution grids is power line communication (PLC). There are power cables in the distribution grids, and hence, they may be applied as a communication channel for the distribution-level data. This doctoral thesis proposes an IP-based high-frequency (HF) band PLC data transmission concept for the LVDC network. A general method to implement the Ethernet-based PLC concept between the public distribution rectifier and the customerend inverters in the LVDC grid is introduced. Low-voltage cables are studied as the communication channel in the frequency band of 100 kHz–30 MHz. The communication channel characteristics and the noise in the channel are described. All individual components in the channel are presented in detail, and a channel model, comprising models for each channel component is developed and verified by measurements. The channel noise is also studied by measurements. Theoretical signalto- noise ratio (SNR) and channel capacity analyses and practical data transmission tests are carried out to evaluate the applicability of the PLC concept against the requirements set by the smart grid applications in the LVDC system. The main results concerning the applicability of the PLC concept and its limitations are presented, and suggestion for future research proposed.