Οι εφαρμογές πολυμέσων έχουν αποκτήσει τα τελευταία χρόνια μία αυξανόμενη ζήτηση από τους χρήστες γενικά του Διαδικτύου καθώς προσφέρουν νέες και ποικιλόμορφες δυνατότητες ανταλλαγής πληροφοριών εικόνας και ήχου. Όμως οι εφαρμογές αυτές υπόκεινται σε περιορισμούς που έχουν να κάνουν κυρίως με τη φύση τους και χαρακτηρίζονται από τις υψηλές απαιτήσεις σε ρυθμό μετάδοσης δεδομένων (bandwidth-consuming applications) και την ευαισθησία τους στις καθυστερήσεις που παρουσιάζονται κατά τη μετάδοση των πακέτων από τον αποστολέα στο παραλήπτη (delay-sensitive applications). Από την άλλη μεριά οι εφαρμογές αυτές φέρεται ότι είναι λιγότερο ευαίσθητες στις απώλειες των πακέτων (packet-loss tolerant applications). Το ζητούμενο όμως με τις εφαρμογές πολυμέσων, πέρα από το εύρος των υπηρεσιών τις οποίες προσφέρουν, είναι και η παρεχόμενη ποιότητα των υπηρεσιών (Quality of Service, QOS) στο τελικό χρήστη. Η ποιότητα αυτή των υπηρεσιών συνδέεται άμεσα με τα προαναφερόμενα χαρακτηριστικά των εφαρμογών πολυμέσων. Η μέχρι τώρα προσέγγιση από την ερευνητική κοινότητα αλλά και τις εταιρείες παροχής υπηρεσιών Διαδικτύου (Internet Service Providers), σε ότι αφορά την εξασφάλιση της ποιότητας υπηρεσιών, έχει εστιασθεί είτε στην επιμέρους βελτιστοποίηση της απόδοσης των πρωτοκόλλων μετάδοσης, είτε στην εγκατάσταση επιπλέον εξοπλισμού για τη δημιουργία δικτύων διανομής πολυμέσων (Content Distribution Networks, CDNs) που τοποθετούνται συνήθως κοντά στον τελικό χρήστη. Επιπρόσθετα η αυξανόμενη προσπάθεια της ερευνητικής κοινότητας με σκοπό την αύξηση της ποιότητας υπηρεσιών προσέφερε νέες καινοτόμες λύσεις με την μορφή των υπηρεσιών-αρχιτεκτονικών όπως οι Ολοκληρωμένες Υπηρεσίες (Integrated services, Intserv) και οι Διαφοροποιημένες Υπηρεσίες (Differentiated Services, Diffserv) οι οποίες φιλοδοξούν να προσφέρουν εγγυήσεις ποιότητας υπηρεσιών σε συγκεκριμένες ομάδες χρηστών. Όμως και οι δύο αυτές αρχιτεκτονικές δεν κατάφεραν μέχρι τώρα να αποτελέσουν μια ολοκληρωμένη λύση για τη παροχή εγγυήσεων ποιότητας υπηρεσιών στο χρήστη λόγω των μεγάλων δυσκολιών στην εφαρμογή τους που έχουν να κάνουν τόσο με χρηματοοικονομικά κριτήρια όσο και με τη ίδια τη δομή του Διαδικτύου. Έτσι βλέπουμε ότι παρόλη τη πρόοδο που έχει γίνει μέχρι σήμερα στη τεχνολογία των δικτύων η παροχή ποιότητας υπηρεσίας στο Διαδίκτυο από άκρο σε άκρο δεν είναι ακόμη στις μέρες μας εφικτή με αποτέλεσμα οι υπηρεσίες μετάδοσης πολυμέσων στο Διαδίκτυο – π.χ “youtube” – να επηρεάζονται σημαντικά από τις όποιες μεταβολές στη κατάσταση του δικτύου. Προς το σκοπό αυτό η ερευνητική κοινότητα έχει στραφεί στη μελέτη μηχανισμών οι οποίοι θα είναι να θέση να προσαρμόζουν το ρυθμό μετάδοσης της πολυμεσικής πληροφορίας, ανάλογα με τις εκάστοτε συνθήκες του δικτύου, έτσι ώστε να προσφέρουν τη μέγιστη δυνατή ποιότητα υπηρεσίας στο τελικό χρήστη. Η προσπάθεια αυτή μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε δύο μεγάλες κατηγορίες ανάλογα με το τρόπο δρομολόγησης της πολυμεσικής πληροφορίας, όπως παρακάτω: • Μηχανισμοί προσαρμογής για unicast μετάδοση: Σε αυτή τη περίπτωση οι μηχανισμοί προσαρμογής προσαρμόζουν το ρυθμό μετάδοσης της πληροφορίας από ένα σημείο (αποστολέας) προς ένα σημείο (παραλήπτης). • Μηχανισμοί προσαρμογής εκπομπής πολλαπλής διανομής (multicast): Στη περίπτωση αυτή οι μηχανισμοί προσαρμογής προσαρμόζουν το ρυθμό μετάδοσης της πληροφορίας που λαμβάνει χώρα από ένα σημείο (αποστολέας) προς πολλά σημεία (παραλήπτες). Σε ότι αφορά τη unicast μετάδοση την επικρατέστερη πρόταση αποτελεί ο μηχανισμός ελέγχου συμφόρησης με την ονομασία TCP Friendly Rate Control (TFRC) που έχει γίνει αποδεκτός ως διεθνές πρότυπο από τη Internet Engineering Task Force (IETF). Στη περιοχή της multicast εκπομπής ο μηχανισμός TCP-friendly Multicast Congestion Control (TFMCC) έχει γίνει επίσης αποδεκτός ως πειραματικό πρότυπο από την IETF. Παρόλα αυτά όμως εργαστηριακές μελέτες και πειράματα έχουν δείξει ότι τόσο ο μηχανισμός TFRC όσο και ο TFMCC δεν είναι και οι πλέον κατάλληλοι μηχανισμοί προσαρμογής για τη μετάδοση πολυμέσων. Τα κυριότερα προβλήματα αφορούν στη “φιλικότητα” των μηχανισμών αυτών προς το πρωτόκολλο Transmission Control Protocol (TCP) καθώς και στις απότομες διακυμάνσεις του ρυθμού μετάδοσης. Ιδιαίτερα οι απότομες διακυμάνσεις του ρυθμού μετάδοσης είναι ένα στοιχείο μη επιθυμητό από τις εφαρμογές πολυμέσων και ιδιαίτερα από τις εφαρμογές πολυμέσων πραγματικού χρόνου. Στη περιοχή των ασυρμάτων δικτύων τα προβλήματα τα οποία αντιμετωπίζονται κατά τη μετάδοση των πολυμέσων δεν έχουν τόσο άμεση σχέση με τη συμφόρηση του δικτύου (αυτή παρατηρείται κυρίως στα ενσύρματα δίκτυα), όσο με τις απώλειες των πακέτων που είναι ένα άμεσο αποτέλεσμα του μέσου διάδοσης. Η μέχρι τώρα προσέγγιση αφορά στην επιμέρους βελτιστοποίηση των διαφόρων πρωτοκόλλων των στρωμάτων του OSI έτσι ώστε να μειωθούν τα προβλήματα διάδοσης και να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες πακέτων και οι καθυστερήσεις από τον αποστολέα στο παραλήπτη. Κατά τα τελευταία χρόνια όμως κερδίζει όλο και περισσότερο έδαφος μια διαφορετική προσέγγιση η οποία έχει επικρατήσει να ονομάζεται διεθνώς ως “cross-layer optimization-adaptation”. Κατά τη προσέγγιση αυτή διαφαίνεται ότι θα μπορούσαμε να πετύχουμε τη βελτιστοποίηση της παρεχόμενης ποιότητας στις εφαρμογές πολυμέσων μέσω κάποιων μηχανισμών προσαρμογής, που θα εμπλέκουν περισσότερα του ενός εκ των στρωμάτων του OSI στις τρέχουσες συνθήκες του δικτύου. Η μεθοδολογία, οι προκλήσεις, οι περιορισμοί καθώς και οι εφαρμογές της διαστρωματικής (cross layer) προσαρμογής αποτελούν ένα ανοικτό ερευνητικό πεδίο το οποίο βρίσκεται αυτή τη στιγμή σε εξέλιξη. Σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι καταρχήν η μελέτη των υπαρχόντων μηχανισμών ελέγχου συμφόρησης που αφορούν τα ενσύρματα δίκτυα μη εγγυημένης ποιότητας, όπως το Διαδίκτυο. Προς τη κατεύθυνση αυτή αξιολογούνται αρχικά οι υπάρχοντες μηχανισμοί ελέγχου συμφόρησης και διαπιστώνονται τα κυριότερα προβλήματα τα οποία σχετίζονται με τη ποιότητα υπηρεσιών. Η αξιολόγηση γίνεται με βάση τα κριτήρια που αφορούν τόσο στη φιλικότητα των μηχανισμών αυτών προς το TCP όσο και στα κριτήρια που αφορούν τη ποιότητα υπηρεσιών των εφαρμογών πολυμέσων. Η αξιολόγηση αυτή μας οδηγεί στο σχεδιασμό νέων πρωτοκόλλων τα οποία υπόσχονται υψηλότερη φιλικότητα προς το TCP και καλύτερη ποιότητα υπηρεσιών. Ένα σημαντικό στοιχείο που διαφοροποιεί τα πρωτόκολλα αυτά από τις άλλες προσεγγίσεις είναι η ομαλή (smooth) συμπεριφορά κατά την οποία ελαχιστοποιούνται οι απότομες μεταβολές του ρυθμού μετάδοσης, που είναι μη επιθυμητές από τις εφαρμογές πολυμέσων, διατηρώντας παράλληλα ένα υψηλό ρυθμό απόκρισης στις απότομες μεταβολές των συνθηκών του δικτύου. Ένα δεύτερο σημαντικό στοιχείο της εργασίας αυτής είναι οι προσθήκες στις βιβλιοθήκες του προσομοιωτή ns-2 οι οποίες είναι ήδη αντικείμενο εκμετάλλευσης από άλλους ερευνητές. Για το σκοπό αυτό τα νέα πρωτόκολλα καθορίζονται πλήρως και ενσωματώνονται στις βιβλιοθήκες του προσομοιωτή ns-2 έτσι ώστε να είναι διαθέσιμα στην ερευνητική κοινότητα ως μέρος του προσομοιωτή, για περαιτέρω μελέτη και αξιολόγηση. Επεκτείνονται παράλληλα υπάρχοντα ερευνητικά εργαλεία προσομοιώσεων τα οποία επιτρέπουν την ανάλυση και την αξιολόγηση υπαρχόντων και μελλοντικών μηχανισμών προσαρμογής με βάση κριτήρια ποιότητας που αφορούν ειδικά τις εφαρμογές πολυμέσων, πλέον των “κλασσικών” κριτηρίων που σχετίζονται με μετρικά δικτύων. Σε ότι αφορά στα ασύρματα δίκτυα μελετάται η διαστρωματική προσαρμογή και εάν και κατά πόσο είναι δυνατό να επιτευχθεί η αύξηση της ποιότητας της παρεχόμενης υπηρεσίας μέσα από την εφαρμογή μια τέτοιας σχεδίασης. Μελετώνται οι διάφοροι τρόποι και μεθοδολογίες σχεδίασης μιας διαστρωματικής προσαρμογής και προτείνεται ένα νέο πλαίσιο με το οποίο είναι δυνατό να αυξήσουμε τη ποιότητα υπηρεσίας σε υβριδικά δίκτυα, που αποτελούνται τόσο από ενσύρματους όσο και από ασύρματους χρήστες. / Multimedia applications have gained in recent years an increasing demand from Internet users as they offer new opportunities and diverse multimedia services. These applications, however, are subject to restrictions which mainly have to do with its nature and are characterized by high requirements of the transmission rates (bandwidth-consuming applications) and their sensitivity to delays in the transmission of packets by the consignor to consignee (delay-sensitive applications). On the other hand, allegedly these applications are less sensitive to packet losses (packet-loss tolerant applications). The issue, however, with multimedia applications, except for the scope of the services which offer, is the Quality of Services (QoS) that is offered to the end user. This quality of services is directly linked to the above characteristics of multimedia applications. The approach so far by the research community and also the Internet Service Providers (ISPs), as regards ensuring the quality of service, has focused either to individually optimizing the efficiency of transmission protocols, or in the installation of additional equipment (servers) for the establishment of distribution networks (Content Distribution Networks, CDNS) which are normally positioned close to the final user. In addition, the growing effort of the research community with a view to increasing the quality of service offered new innovative solutions in the form of services-architectures like the Integrated Services (Intserv) and Differentiated Services (Diffserv ) which aspire to offer guarantees of quality of services in specific user groups. But these two architectures failed until now to become the solution for the provision of guarantees of quality of services to the end user due to difficulties in applying them which have to do with financial criteria and the structure of the Internet itself. Therefore, we can see that despite the progress made so far in networks technology the provision of QoS across the Internet is not still feasible with the result that multimedia services via the Internet (for example “YouTube”) are significantly affected by the changes of the network conditions. To this course, the research community has directed to the study of mechanisms which will be able to adjust the transmission rate of multimedia data, according to the conditions of the network, so as to offer the best possible quality of service to the end user. This effort could be classified into two broad categories, according to the way the multimedia information is routed, as follows: • Adaptation mechanisms for unicast transmission: In this case the adaptation mechanisms regulate the transmission rate between the sender and the receiver in a unicast connection. • Adaptation mechanisms for multicast transmission: In this case the adaptation mechanisms regulate the transmission rate between the sender and a group of receivers. Regarding the unicast transmission the predominant proposal is the congestion control mechanism that is termed as the “TCP-friendly Rate Control (TFRC) and has been accepted as an international standard by the Internet Engineering Task Force (IETF). In the area of multicast transmission the TCP-friendly Multicast Congestion Control (TFMCC) has also become acceptable as an experimental standard from IETF. Nevertheless, laboratory studies and experiments have shown that both TFRC and TFMCC are not the most suitable adaptation mechanisms for multimedia transmission. The main problems have to do with its friendliness towards the Transmission Connection Protocol (TCP) and the sudden fluctuations in the transmission. rate. These sharp variations of the transmission rates are an attribute non desirable by multimedia applications and particularly by real-time applications. In the area of wireless networks the problems with the transmission of multimedia data are not directly linked to the congestion of the network (this mainly occurs in wired networks) as the packet losses are a direct result of the free space propagation. The approach so far has aimed at the individual optimization of the various protocols of the OSI model so as to reduce the transmission problems and minimize packet losses and the delays from the sender to the end user. In recent years, however, a different approach which has prevailed to be termed internationally as “cross-layer optimization-adaptation” has earned more and more space. Under this approach we could be able to succeed the optimization of the service, regarding the quality of multimedia applications, by means of some adaptation mechanisms which will involve more than one of the OSI layers to current network conditions. The methodology, the challenges, the restrictions and the applications of cross layer adaptation constitute an open research area which is currently in progress. The aim of this dissertation is firs the study of the existing congestion control mechanisms which mainly concern best-effort wired networks, such as the Internet. In this direction we evaluate the existing congestion/flow control mechanisms and record the main problems related to the quality of service. The performance evaluation is based on criteria relating both to TCP-friendliness and the quality of service of multimedia applications. This performance evaluation leads us to the design of new protocols which promise greater TCP-friendliness and better quality of service. An important element that distinguishes these protocols of the other approaches is the “smooth” behavior by which we minimize the high oscillations of the transmission rate, which are not desirable by multimedia applications, while maintaining a high response to sudden changes of network conditions. A second important element of this dissertation is the additions we have made to the libraries of the ns-2 simulator which are already exploited by other researchers. For this purpose the new protocols are fully defined and incorporated into the ns-2 libraries so as to be available to the research community as part of the simulator, for further studies and evaluation. At the same time we expand existing research tools in order to enable the analysis and evaluation of existing and future mechanisms based on quality criteria specific to multimedia applications, along with network-centric criteria. Regarding the wireless networks we study the cross layer adaptation and how it is possible to achieve the increase in the quality of service by implementing such a design. We study the various ways and design methodologies of a cross layer adaptation and propose a new framework with which it is possible to increase the quality of service in hybrid networks consisting of both by wired and wireless users.

Σκοπός της μελέτης ήταν η ανάπτυξη και αξιολόγηση ενός προγράμματος πολυμέσων για την εκμάθηση των φυσικών αρχών της μαγνητικής τομογραφίας από μεταπτυχιακούς φοιτητές της Ιατρικής Φυσικής του Πανεπιστημίου της Πάτρας. Η ανάπτυξη του εκπαιδευτικού προγράμματος έγινε με την χρήση κατάλληλου προγράμματος συγγραφής πολυμέσων. Δεκαοχτώ μεταπτυχιακοί φοιτητές της Ιατρικής Φυσικής κατατάχτηκαν τυχαία σε δύο ομάδες, την ομάδα των υπολογιστών και την ομάδα του βιβλίου. Όλοι οι συμμετέχοντες αξιολογήθηκαν με ένα τεστ με ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 2 εβδομάδες πριν την αρχή των παραδόσεων, στο τέλος των παραδόσεων και ένα μήνα μετά το τέλος των παραδόσεων. Επιπλέον συμπλήρωσαν ερωτηματολόγια για την αξιολόγηση των στάσεων και πεποιθήσεων τους σχετικά με την χρήση υπολογιστών στην εκπαίδευση. Οι βαθμολογίες των δύο ομάδων συγκρίθηκαν με την βοήθεια της στατιστικής δοκιμασίας ANOVA. Το εκπαιδευτικό πρόγραμμα που αναπτύχτηκε αποτελείται από 6 ενότητες για την διδασκαλία πολύπλοκων φυσικών αρχών MRI με την βοήθεια animation. Κάθε ενότητα περιλαμβάνει ένα τεστ και οι επιδόσεις των χρηστών μπορούν να καταγραφούν και να αναλυθούν με ένα ξεχωριστό πρόγραμμα. Στην ενότητα που χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση οι φοιτητές της ομάδας με τους υπολογιστές πέτυχαν στατιστικά υψηλότερους βαθμούς (Μ=80.5, SD=9.4) από τους σπουδαστές με το βιβλίο (M=61.3, SD=12.5, p=.003). Επιπλέον οι φοιτητές των υπολογιστών φαίνεται να εκτιμούν περισσότερο την εκμάθηση μέσω της χρήσης υπολογιστών συγκριτικά με τους σπουδαστές της ομάδας του βιβλίου (p=.230). Οι απόψεις των φοιτητών για την επέκταση της χρήσης των πολυμέσων στην ιατρική φυσική εστιάζονται σε θέματα σχετικά με τα κίνητρα, τις εκπαιδευτικές δυνατότητες και την αξία του περιεχομένου. Τα αναφερθέντα μειονεκτήματα ήταν ελάχιστα, και ήταν επικεντρωμένα κυρίως σε τεχνικά θέματα και σε μαθησιακές δυσκολίες. Η εκπαίδευση με χρήση πολυμέσων είναι χρήσιμη και επικουρική μέθοδος για την εκμάθηση των φυσικών αρχών MRI από μεταπτυχιακούς φοιτητές. Η παρούσα μελέτη έδειξε ότι η χρήση κατάλληλων προγραμμάτων πολυμέσων βελτιώνει την κατανόηση πολύ περισσότερο συγκριτικά με παραδοσιακές μεθόδους μάθησης. / The objectives of this study were to develop and evaluate an interactive multimedia computer based instructional package in MRI physics and to provide first year medical physics postgraduate students of University of Patras with an interactive means of self-study and self-evaluation. An authoring system was used to develop the courseware package. Eighteen postgraduate medical physics students were prospectively, randomly assigned to receive instruction on the same topic from a textbook and an interactive computer module. Participants were evaluated by a multiple choice test 2 weeks before the lectures, at the end of the lectures and by a retention test 1 month after the end. They also completed questionnaires to elicit their attitudes toward the two instructional methods. Mean test scores of the textbook and computer groups were compared by means of analysis of variance. The developed MRI program is a suite of 6 interactive modules designed to dynamically teach complex MRI concepts using media-rich animations. All modules include a quiz and since patterns of use by student can be recorded a Log Decryption utility and a Log Reader utility was also developed. The tested module demonstrated that students in the computer group (M=80.5, SD=9.4) scored significantly higher on their post-test when compared with the textbook group (M=61.3, SD=12.5, p=.003). Furthermore students in the computer group seem to appreciate multimedia modules more compared to textbook students (p=.003). There were no differences noted between method of instruction and learner satisfaction (p=.230). Students’ rationale for expanding the use of multimedia in physics education seemed to focus on issues concerning motivation, instructional capabilities and content value. The disadvantages reported were few, their prevalence considerably small, especially after the intervention and were mostly focused on technical issues and some difficulties in learning. Computer aided instruction is a useful and effective aid for teaching MRI principles to postgraduate students. The study demonstrated that the inclusion of properly designed multimedia modules enhance conceptual understanding far more than do traditional methods.