Análise do atraso fim-a-fim observado por diferentes classes de tráfego em redes Ethernet micro-segmentadas

A tecnologia de rede dominante em ambientes locais é ethernet. Sua ampla utilização e o aumento crescente nos requisitos impostos pelas aplicações são as principais razões para a evolução constante presenciada desde o surgimento deste tipo de rede simples e barata. Na busca por maior desempenho, configurações baseadas na disputa por um meio de transmissão compartilhado foram substituídas por topologias organizadas ao redor de switches e micro-segmentadas, ou seja, com canais de transmissão individuais para cada estação. Neste mesmo sentido, destacam-se os dispositivos de qualidade de serviço padronizados a partir de 1998, que permitem a diferenciação de tráfego prioritário. O uso desta tecnologia em ambientes de automação sempre foi refreado devido à imprevisibilidade do protocolo CSMA/CD. Entretanto, o uso de switched ethernet em conjunto com a priorização de tráfego representa um cenário bastante promissor para estas aplicações, pois ataca as duas fontes principais de indeterminismo: colisões e enfileiramento. Este trabalho procura avaliar esta estrutura em ambientes de controle distribuído, através de uma análise temporal determinística. Como resultado, propõe-se um modelo analítico de cálculo capaz de prever os valores máximos, médios e mínimos do atraso fim-a-fim observado nas comunicações de diferentes classes de tráfego. Durante a análise, outras métricas relevantes são investigadas como a variação no atraso (jitter) e a interferência entre classes de prioridades distintas.

Encaminhamento óptimo do tráfego em redes Triple Play

A Internet é responsável pelo surgimento de um novo paradigma de televisão – IPTV (Televisão sobre IP). Este serviço distingue-se de outros modelos de televisão, pois permite aos utilizadores um elevado grau de interactividade, com um controlo personalizado sobre os conteúdos a que pretende assistir. Possibilita ainda a oferta de um número ilimitado de canais, bem como o acesso a conteúdos de Vídeo on Demand (VoD). O IPTV apresenta diversas funcionalidades suportadas por uma arquitectura complexa e uma rede convergente que serve de integração a serviços de voz, dados e vídeo. A tecnologia IPTV explora ao máximo as características da Internet, com a utilização de mecanismos de Qualidade de Serviço. Surge ainda como uma revolução dentro do panorama televisivo, abrindo portas a novos investimentos por parte das empresas de telecomunicações. A Internet também permite fazer chamadas telefónicas sobre a rede IP. Este serviço é denominado VoIP (Voz sobre IP) e encontra-se em funcionamento já há algum tempo. Desta forma surge a oportunidade de poder oferecer ao consumidor final, um serviço que inclua os serviços de Internet, de VoIP e de IPTV denominado serviço Triple Play. O serviço Triple Play veio obrigar a revisão de toda a rede de transporte de forma a preparar a mesma para suportar este serviço de uma forma eficiente (QoS), resiliente (recuperação de falhas) e optimizado (Engenharia de tráfego). Em redes de telecomunicações, tanto a quebra de uma ligação como a congestão nas redes pode interferir nos serviços oferecidos aos consumidores finais. Mecanismos de sobrevivência são aplicados de forma a garantir a continuidade do serviço mesmo na ocorrência de uma falha. O objectivo desta dissertação é propor uma solução de uma arquitectura de rede capaz de suportar o serviço Triple Play de uma forma eficiente, resiliente e optimizada através de um encaminhamento óptimo ou quase óptimo. No âmbito deste trabalho, é realizada a análise do impacto das estratégias de encaminhamento que garantem a eficiência, sobrevivência e optimização das redes IP existentes, bem como é determinado o número limite de clientes permitido numa situação de pico de uma dada rede. Neste trabalho foram abordados os conceitos de Serviços Triple Play, Redes de Acesso, Redes Núcleo, Qualidade de Serviço, MPLS (Multi-Protocolo Label Switching), Engenharia de Tráfego e Recuperação de falhas. As conclusões obtidas das simulações efectuadas através do simulador de rede NS-2.33 (Network Simulator versão 2.33) serviram para propor a solução da arquitectura de uma rede capaz de suportar o serviço Triple Play de uma forma eficiente, resiliente e optimizada.

Proposta de uma ferramenta de visualização e realidade virtual para o monitoramento de tráfego de redes de computadores

Pós-graduação em Ciência da Computação - IBILCE

Proteção compartilhada e restauração de tráfego em redes ópticas de segmentação espectral flexível

A busca de sistemas de comunicação eficientes e econômicos é cada vez maior, principalmente com o aumento da demanda por tráfego e banda de transmissão. Conhecidas pela utilização eficiente de largura de banda, as redes ópticas de segmentação espectral flexível têm sido intensamente estudadas e são consideradas boas candidatas para a próxima geração de redes. Tais redes flexíveis utilizam formatos de modulação multinível e multiplexação multiportadora. Sistemas com alta capacidade de transmissão devem ser extremamente confiáveis, pois a falha em um dispositivo ou enlace da rede acarreta enorme perda de dados. Por isso, as técnicas de proteção e restauração do tráfego devem ser eficientes, de modo a garantir a sobrevivência da rede. Neste trabalho, foi desenvolvido um algoritmo capaz de lidar com cada requisição de conexão, encontrar um caminho óptico para transmissão e reservar outro caminho para recuperação do tráfego em caso de falha na rede. A seleção dos caminhos primário e de proteção utiliza a técnica smart-fit, que escolhe a solução com menor custo final, definido pela distância da rota percorrida somada ao custo do índice inicial da faixa espectral alocada, buscando equilibrar a escolha entre a posição no espectro e rota escolhida. Além disso, são definidos custos diferentes para slots de frequência livres e compartilhados, a fim de incentivar o compartilhamento espectral em caminhos de proteção. Dentre as técnicas de alocação espectral, a varredura com janela espectral varre o espectro em todos os enlaces da rota, slot por slot, em busca de uma faixa livre com tamanho suficiente para atender uma demanda. Neste trabalho, foi desenvolvida uma técnica chamada busca lógica, que lida simultaneamente com todos os enlaces da rota ao realizar operações lógicas com seus espectros. Em seguida, é realizada uma convolução entre a janela espectral, com tamanho da demanda, e o espectro resultante. A partir desse resultado, é possível saber as posições no espectro onde a demanda poderá ser alocada. Tal técnica, como será demonstrado, é mais veloz que a varredura com janela espectral. Para garantir a eficácia e confiabilidade do algoritmo, utilizando o software MATLAB, avaliou-se a probabilidade de bloqueio e probabilidade de bloqueio de banda, a fragmentação espectral média na rede, o grau de compartilhamento, a taxa de utilização espectral e a taxa de capacidade reservada. O algoritmo desenvolvido foi capaz de organizar o tráfego na rede de modo ordenado e pouco fragmentado, além de utilizar de maneira eficiente os recursos destinados à proteção.

Estudo de sistemas complexos com interações de longo alcance : percolação, redes e tráfego

In this thesis we investigate physical problems which present a high degree of complexity using tools and models of Statistical Mechanics. We give a special attention to systems with long-range interactions, such as one-dimensional long-range bondpercolation, complex networks without metric and vehicular traffic. The flux in linear chain (percolation) with bond between first neighbor only happens if pc = 1, but when we consider long-range interactions , the situation is completely different, i.e., the transitions between the percolating phase and non-percolating phase happens for pc < 1. This kind of transition happens even when the system is diluted ( dilution of sites ). Some of these effects are investigated in this work, for example, the extensivity of the system, the relation between critical properties and the dilution, etc. In particular we show that the dilution does not change the universality of the system. In another work, we analyze the implications of using a power law quality distribution for vertices in the growth dynamics of a network studied by Bianconi and Barabási. It incorporates in the preferential attachment the different ability (fitness) of the nodes to compete for links. Finally, we study the vehicular traffic on road networks when it is submitted to an increasing flux of cars. In this way, we develop two models which enable the analysis of the total flux on each road as well as the flux leaving the system and the behavior of the total number of congested roads

Proposta para minimizar penalidade do tráfego de melhor esforço (BE) em redes óticas passivas ethernet (EPON): análise através de modelo híbrido analítico/simulado

Neste trabalho, propõe-se uma melhoria na estratégia de escalonamento baseada em pesos das classes de tráfego em redes óticas passivas Ethernet – EPON, de modo a não penalizar demasiadamente a classe tipo melhor esforço (BE). Como suporte, desenvolveu-se um modelo híbrido analítico/simulado para análise de desempenho do fluxo de subida, baseado no atraso total de quadros. A modelagem foi feita utilizando Redes de Petri Coloridas Estocásticas (Stochastic Colored Petri Nets - SCPN) da qual se obtém, por simulação, o tamanho médio da fila que posteriormente é usado para, analiticamente, obter-se o atraso total. Não obstante ao crescimento de aplicações multimídia em tempo real, no ano de 2010, o tráfego tradicional na Internet (navegação web, email, mensagens instantâneas) classificado como melhor esforço ainda foi responsável, sozinho (excluindo transferência de arquivos P2P), por valores em torno de 18% do tráfego na Internet. Somando-se a este percentual as aplicações P2P, que também não são essencialmente sensíveis ao atraso, têm-se uma participação de 58% (o tráfego P2P foi no ano de 2010 responsável por aproximadamente 40% do volume total de informações trafegadas na Internet). Mesmo em previsões feitas para o ano de 2014 o tráfego BE ainda representará aproximadamente 40% do volume total de dados a serem trafegados nas redes IPs mundiais. Estes números demonstram que a preocupação com este tipo de tráfego não pode ser relegada a uma importância secundária em detrimento às aplicações que exigem maior qualidade de serviço. Tomando como base o escalonamento IPACT (Interleaved Polling with Adapting Cycle Time) esta dissertação demonstra que é possível, através da melhoria proposta, obter atrasos menores no tráfego de melhor esforço, sem que as classes de tráfego prioritárias ultrapassem as especificações de atraso recomendadas para cada uma destas.

Análise de desempenho de um protocolo BitTorrent ciente de localização em redes corporativas.

Hoje em dia, distribuições de grandes volumes de dados por redes TCP/IP corporativas trazem problemas como a alta utilização da rede e de servidores, longos períodos para conclusão e maior sensibilidade a falhas na infraestrutura de rede. Estes problemas podem ser reduzidos com utilização de redes par-a-par (P2P). O objetivo desta dissertação é analisar o desempenho do protocolo BitTorrent padrão em redes corporativas e também realizar a análise após uma modificação no comportamento padrão do protocolo BitTorrent. Nesta modificação, o rastreador identifica o endereço IP do par que está solicitando a lista de endereços IP do enxame e envia somente aqueles pertencentes à mesma rede local e ao semeador original, com o objetivo de reduzir o tráfego em redes de longa distância. Em cenários corporativos típicos, as simulações mostraram que a alteração é capaz de reduzir o consumo médio de banda e o tempo médio dos downloads, quando comparados ao BitTorrent padrão, além de conferir maior robustez à distribuição em casos de falhas em enlaces de longa distância. As simulações mostraram também que em ambientes mais complexos, com muitos clientes, e onde a restrição de banda em enlaces de longa distância provoca congestionamento e descartes, o desempenho do protocolo BitTorrent padrão pode ser semelhante a uma distribuição em arquitetura cliente-servidor. Neste último caso, a modificação proposta mostrou resultados consistentes de melhoria do desempenho da distribuição.

Otimização energética em redes óticas de próxima geração Flex-grid vs Fixed-grid

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Eletrónica e Telecomunicações

Mecanismos para determinação de rotas de proteção em redes MPLS-TP com topologia em malha.

As redes atuais de telecomunicações utilizam tecnologias de comutação de pacotes para integração de voz, dados, imagens e outros serviços. O tráfego nessas redes costuma ser feito por meio de tecnologias como o MPLS-TP e com regras heurísticas para a determinação dos melhores caminhos. O uso de boas regras afeta diretamente o desempenho e a segurança da operação. Este trabalho propõe o uso de simulação de baixo custo para prever o comportamento e avaliar regras de escolha de caminhos. Para isso, este trabalho avalia três métodos de seleção de caminhos de LSPs, combinados com duas heurísticas de recuperação, usados em redes MPLS-TP em malha com mecanismos de proteção em malha compartilhada. Os resultados das simulações medem o impacto dos métodos e heurísticas utilizados, demonstrando o quanto uma melhor seleção de caminhos pode contribuir para a redução do uso dos recursos da rede e do número máximo de LSPs afetados em caso de falhas na rede. Os resultados deste trabalho, bem como a técnica de análise proposta, almejam ser uma contribuição para a padronização de regras de seleção de LSPs em redes heterogêneas.

Model-based systems engineering: a system for traffic & environment

The contemporary world is crowded of large, interdisciplinary, complex systems made of other systems, personnel, hardware, software, information, processes, and facilities. The Systems Engineering (SE) field proposes an integrated holistic approach to tackle these socio-technical systems that is crucial to take proper account of their multifaceted nature and numerous interrelationships, providing the means to enable their successful realization. Model-Based Systems Engineering (MBSE) is an emerging paradigm in the SE field and can be described as the formalized application of modelling principles, methods, languages, and tools to the entire lifecycle of those systems, enhancing communications and knowledge capture, shared understanding, improved design precision and integrity, better development traceability, and reduced development risks. This thesis is devoted to the application of the novel MBSE paradigm to the Urban Traffic & Environment domain. The proposed system, the GUILTE (Guiding Urban Intelligent Traffic & Environment), deals with a present-day real challenging problem “at the agenda” of world leaders, national governors, local authorities, research agencies, academia, and general public. The main purposes of the system are to provide an integrated development framework for the municipalities, and to support the (short-time and real-time) operations of the urban traffic through Intelligent Transportation Systems, highlighting two fundamental aspects: the evaluation of the related environmental impacts (in particular, the air pollution and the noise), and the dissemination of information to the citizens, endorsing their involvement and participation. These objectives are related with the high-level complex challenge of developing sustainable urban transportation networks. The development process of the GUILTE system is supported by a new methodology, the LITHE (Agile Systems Modelling Engineering), which aims to lightening the complexity and burdensome of the existing methodologies by emphasizing agile principles such as continuous communication, feedback, stakeholders involvement, short iterations and rapid response. These principles are accomplished through a universal and intuitive SE process, the SIMILAR process model (which was redefined at the light of the modern international standards), a lean MBSE method, and a coherent System Model developed through the benchmark graphical modeling languages SysML and OPDs/OPL. The main contributions of the work are, in their essence, models and can be settled as: a revised process model for the SE field, an agile methodology for MBSE development environments, a graphical tool to support the proposed methodology, and a System Model for the GUILTE system. The comprehensive literature reviews provided for the main scientific field of this research (SE/MBSE) and for the application domain (Traffic & Environment) can also be seen as a relevant contribution.

Methodologies for traffic profiling in communication networks

Internet Tra c, Internet Applications, Internet Attacks, Tra c Pro ling, Multi-Scale Analysis abstract Nowadays, the Internet can be seen as an ever-changing platform where new and di erent types of services and applications are constantly emerging. In fact, many of the existing dominant applications, such as social networks, have appeared recently, being rapidly adopted by the user community. All these new applications required the implementation of novel communication protocols that present di erent network requirements, according to the service they deploy. All this diversity and novelty has lead to an increasing need of accurately pro ling Internet users, by mapping their tra c to the originating application, in order to improve many network management tasks such as resources optimization, network performance, service personalization and security. However, accurately mapping tra c to its originating application is a di cult task due to the inherent complexity of existing network protocols and to several restrictions that prevent the analysis of the contents of the generated tra c. In fact, many technologies, such as tra c encryption, are widely deployed to assure and protect the con dentiality and integrity of communications over the Internet. On the other hand, many legal constraints also forbid the analysis of the clients' tra c in order to protect their con dentiality and privacy. Consequently, novel tra c discrimination methodologies are necessary for an accurate tra c classi cation and user pro ling. This thesis proposes several identi cation methodologies for an accurate Internet tra c pro ling while coping with the di erent mentioned restrictions and with the existing encryption techniques. By analyzing the several frequency components present in the captured tra c and inferring the presence of the di erent network and user related events, the proposed approaches are able to create a pro le for each one of the analyzed Internet applications. The use of several probabilistic models will allow the accurate association of the analyzed tra c to the corresponding application. Several enhancements will also be proposed in order to allow the identi cation of hidden illicit patterns and the real-time classi cation of captured tra c. In addition, a new network management paradigm for wired and wireless networks will be proposed. The analysis of the layer 2 tra c metrics and the di erent frequency components that are present in the captured tra c allows an e cient user pro ling in terms of the used web-application. Finally, some usage scenarios for these methodologies will be presented and discussed.

Wireless networks congestion control

Congestion control in wireless networks is an important and open issue. Previous research has proven the poor performance of the Transport Control Protocol (TCP) in such networks. The factors that contribute to the poor performance of TCP in wireless environments concern its unsuitability to identify/detect and react properly to network events, its TCP window based ow control algorithm that is not suitable for the wireless channel, and the congestion collapse due to mobility. New rate based mechanisms have been proposed to mitigate TCP performance in wired and wireless networks. However, these mechanisms also present poor performance, as they lack of suitable bandwidth estimation techniques for multi-hop wireless networks. It is thus important to improve congestion control performance in wireless networks, incorporating components that are suitable for wireless environments. A congestion control scheme which provides an e - cient and fair sharing of the underlying network capacity and available bandwidth among multiple competing applications is crucial to the definition of new e cient and fair congestion control schemes on wireless multi-hop networks. The Thesis is divided in three parts. First, we present a performance evaluation study of several congestion control protocols against TCP, in wireless mesh and ad-hoc networks. The obtained results show that rate based congestion control protocols need an eficient and accurate underlying available bandwidth estimation technique. The second part of the Thesis presents a new link capacity and available bandwidth estimation mechanism denoted as rt-Winf (real time wireless inference). The estimation is performed in real-time and without the need to intrusively inject packets in the network. Simulation results show that rt-Winf obtains the available bandwidth and capacity estimation with accuracy and without introducing overhead trafic in the network. The third part of the Thesis proposes the development of new congestion control mechanisms to address the congestion control problems of wireless networks. These congestion control mechanisms use cross layer information, obtained by rt-Winf, to accurately and eficiently estimate the available bandwidth and the path capacity over a wireless network path. Evaluation of these new proposed mechanisms, through ns-2 simulations, shows that the cooperation between rt-Winf and the congestion control algorithms is able to significantly increase congestion control eficiency and network performance.

Advanced optical modulation and format conversion

Over the years, the increased search and exchange of information lead to an increase of traffic intensity in todays optical communication networks. Coherent communications, using the amplitude and phase of the signal, reappears as one of the transmission techniques to increase the spectral efficiency and throughput of optical channels. In this context, this work present a study on format conversion of modulated signals using MZI-SOAs, based exclusively on all- optical techniques through wavelength conversion. This approach, when applied in interconnection nodes between optical networks with different bit rates and modulation formats, allow a better efficiency and scalability of the network. We start with an experimental characterization of the static and dynamic properties of the MZI-SOA. Then, we propose a semi-analytical model to describe the evolution of phase and amplitude at the output of the MZI-SOA. The model’s coefficients are obtained using a multi-objective genetic algorithm. We validate the model experimentally, by exploring the dependency of the optical signal with the operational parameters of the MZI-SOA. We also propose an all-optical technique for the conversion of amplitude modulation signals to a continuous phase modulation format. Finally, we study the potential of MZI-SOAs for the conversion of amplitude signals to QPSK and QAM signals. We show the dependency of the conversion process with the operational parameters deviation from the optimal values. The technique is experimentally validated for QPSK modulation.

Wi-share: partilha de configurações wi-fi

A popularidade dos dispositivos móveis tem vindo a aumentar significativamente nos últimos anos e, com isso, surge a necessidade de aceder à Internet nos smartphones e tablets, quer para fins laborais quer para lazer. Devido às limitações de tráfego nas redes móveis, como 3G ou 4G, as pessoas procuram conectar-se aos pontos de acesso nas suas proximidades para poupar tráfego móvel. Os pontos de acesso também são uma outra forma de se conseguir conectar à Internet no estrangeiro, mesmo quando não se tem disponível um plano de dados móveis. As soluções existentes, que visam conectar os seus utilizadores à Internet através de pontos de acesso, requerem o pagamento de uma taxa elevada ou violam a privacidade das redes Wi-Fi ao permitir que todos os utilizadores se consigam conectar sem a devida autorização dos proprietários e que consumam tráfego e largura de banda sem quaisquer restrições. Com este trabalho pretende-se permitir que os proprietários das redes possam limitar os recursos de quem acede às suas redes (tráfego, largura de banda e/ou número de utilizadores conectados) usando apenas uma aplicação Android para fazer todo o controlo de acesso e limitação de recursos. Além de limitar os recursos pretende-se possibilitar a interoperabilidade entre pontos de acesso de diferentes plataformas para permitir que utilizadores de diferentes operadores de telecomunicações possam partilhar as suas redes mutuamente. Para se atingir estes objetivos foi desenvolvido um sistema composto por uma aplicação Android e um servidor web. O teste da solução foi feito através de testes com utilizadores, identificando-se que os participantes partilharam maioritariamente as suas próprias redes. A maioria dos utilizadores optou por partilhar as suas redes de forma pública (com todos os utilizadores) e limitar o número de utilizadores conectados para salvaguardar o desempenho da sua ligação. Com este trabalho, consegue-se concluir que é possível incentivar os utilizadores a partilhar as suas redes caso estejam presentes mecanismos que consigam manter a privacidade da rede e que lhes consigam dar controlo sobre a partilha.

Wi-share: partilha de configurações wi-fi

A popularidade dos dispositivos móveis tem vindo a aumentar significativamente nos últimos anos e, com isso, surge a necessidade de aceder à Internet nos smartphones e tablets, quer para fins laborais quer para lazer. Devido às limitações de tráfego nas redes móveis, como 3G ou 4G, as pessoas procuram conectar-se aos pontos de acesso nas suas proximidades para poupar tráfego móvel. Os pontos de acesso também são uma outra forma de se conseguir conectar à Internet no estrangeiro, mesmo quando não se tem disponível um plano de dados móveis. As soluções existentes, que visam conectar os seus utilizadores à Internet através de pontos de acesso, requerem o pagamento de uma taxa elevada ou violam a privacidade das redes Wi-Fi ao permitir que todos os utilizadores se consigam conectar sem a devida autorização dos proprietários e que consumam tráfego e largura de banda sem quaisquer restrições. Com este trabalho pretende-se permitir que os proprietários das redes possam limitar os recursos de quem acede às suas redes (tráfego, largura de banda e/ou número de utilizadores conectados) usando apenas uma aplicação Android para fazer todo o controlo de acesso e limitação de recursos. Além de limitar os recursos pretende-se possibilitar a interoperabilidade entre pontos de acesso de diferentes plataformas para permitir que utilizadores de diferentes operadores de telecomunicações possam partilhar as suas redes mutuamente. Para se atingir estes objetivos foi desenvolvido um sistema composto por uma aplicação Android e um servidor web. O teste da solução foi feito através de testes com utilizadores, identificando-se que os participantes partilharam maioritariamente as suas próprias redes. A maioria dos utilizadores optou por partilhar as suas redes de forma pública (com todos os utilizadores) e limitar o número de utilizadores conectados para salvaguardar o desempenho da sua ligação. Com este trabalho, consegue-se concluir que é possível incentivar os utilizadores a partilhar as suas redes caso estejam presentes mecanismos que consigam manter a privacidade da rede e que lhes consigam dar controlo sobre a partilha.