Στόχος της διπλωματικής αυτής είναι η παρουσίαση τεχνικών στα πλαίσια της Διαχείρισης Ραδιοπόρων με σκοπό την βελτιστοποίηση της παρεχόμενης υπηρεσίας (QoS), σε δίκτυα κινητής τηλεφωνίας 3ης γενιάς. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών και μια ιστορική αναδρομή. Στη συνέχεια παρουσιάζεται μια επισκόπηση της τεχνολογίας του CDMA και γίνεται καταγραφή και ανάλυση τεχνικών RRM. Στο σύστημα UMTS είναι αφιερωμένο ολόκληρο το δεύτερο κεφάλαιο. Το UMTS εξετάζεται από πλευράς αρχιτεκτονικής και πρωτοκόλλων. Το handover ως βασικό στοιχείο της Διαχείρισης Ραδιοπόρων μελετάται στο τρίτο κεφάλαιο. Ιδιαίτερη αναφορά και μελέτη γίνεται για το Soft Handover, ως το βασικό Handover του συστήματος WCDMA, που χρησιμοποιείται προκειμένου να διασφαλιστεί η απαιτούμενη υπηρεσία. Στο τέταρτο κεφάλαιο περνάμε στην multicast μετάδοση. Σε αυτή την περίπτωση εξετάζουμε την αποδοτική επιλογή καναλιού (Efficient Channel Selection), με στόχο την διασφάλιση του ίδιου QoS για όσο το δυνατόν περισσότερους χρήστες κάνοντας την καλύτερη δυνατή διαχείριση των πόρων του συστήματος. Τέλος το πέμπτο κεφάλαιο αφιερώνεται στην συνολική παρουσίαση των συμπερασμάτων που έχουν εξαχθεί στα προηγούμενα κεφάλαια. / -

Η συνεχής εξέλιξη των δικτύων που βασίζονται στο ΙΡ πρωτόκολλο και η ευρύτατη διάδοση και χρήση τους τα τελευταία χρόνια σε ολόκληρο τον κόσμο καθοδηγεί την ανάγκη για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών και την αναβάθμιση των υπαρχόντων, προκειμένου να καλυφθούν οι συνεχώς μεταβαλλόμενες τάσεις και ανάγκες. Δύο από τις βασικότερες εξελίξεις που σχετίζονται με το επίπεδο του ΙΡ πρωτοκόλλου είναι η δυνατότητα για την παροχή εγγυήσεων ποιότητας (Quality of Service) σε τμήμα της συνολικής κίνησης που διακινείται μέσα από τα ΙΡ δίκτυα, καθώς και η ανάγκη αναβάθμισης του IPv4 πρωτοκόλλου προκειμένου (κυρίως) να εξαλειφθεί το πρόβλημα της φειδωλής διάθεσης μοναδικών και οικουμενικά δρομολογήσιμων διευθύνσεων, καθώς και να βελτιωθούν άλλες δευτερεύουσες ατέλειες του IPv4. Κεντρικό αντικείμενο αυτής της Διδακτορικής Διατριβής αποτελεί η μελέτη των τεχνολογιών για παροχή Quality of Service καθώς και η ανάπτυξη μηχανισμών και αλγορίθμων για την αποδοτική διαχείριση των πόρων, τον όσο το δυνατόν δίκαιο καταμερισμό της ποιότητας υπηρεσίας, καθώς και τη δυνατότητα συνεργασίας και διαλειτουργικότητας μεταξύ διαφορετικών αυτόνομων δικτυακών τμημάτων με αυτοματοποιημένο τρόπο (χωρίς δηλαδή να χρειάζεται η παρέμβαση ενός ανθρώπου διαχειριστή στις περισσότερες περιπτώσεις). Για το σκοπό αυτό έχουν προταθεί διάφορες προσεγγίσεις, οι οποίες μελετώνται στην εργασία αυτή, ενώ προτείνονται αλγόριθμοι και μηχανισμοί για τη βελτίωση της λειτουργίας και της απόδοσής τους. Επίσης, από το RFC 2638 της IETF έχει οριστεί η μονάδα του Bandwidth Broker που διαχειρίζεται συνολικά υπηρεσίες QoS σε ένα domain. Οι Bandwidth Brokers χρειάζεται να εγκαθιδρύσουν σχέσεις περιορισμένης εμπιστοσύνης με τις αντίστοιχες μονάδες στα γειτονικά domains, αντίθετα με άλλες αρχιτεκτονικές που απαιτούν τον καθορισμό των χαρακτηριστικών μιας ροής στους δρομολογητές κατά μήκος του από άκρο σε άκρο μονοπατιού. Επομένως η αρχιτεκτονική του Bandwidth Broker δίνει τη δυνατότητα να κρατηθεί η πληροφορία στο επίπεδο του διαχειριστικού domain, αντί να πρέπει να κρατηθεί σε κάθε δρομολογητή, και η DiffServ αρχιτεκτονική δίνει τη δυνατότητα να περιοριστεί η πληροφορία αυτή μόνο για τους ακραίους δρομολογητές κάθε domain. Στα πλαίσια της διδακτορικής αυτής διατριβής μελετήθηκε η αρχιτεκτονική DiffServ σε επίπεδο μηχανισμών χρησιμοποιώντας εργαλεία εξομοίωσης (NS-2 simulator) καθώς και πραγματικό δίκτυο ευρείας κλίμακας. Το IPv4 πρωτόκολλο έχει τη δυνατότητα υλοποίησης μηχανισμών QoS στο επίπεδο δικτύου με τη χρήση του πεδίου TOS (Type Of Service). Το IPv6 επεκτείνει και βελτιώνει την ιδέα αυτή, παρέχοντας δύο νέα πεδία στην στάνταρ επικεφαλίδα, τα Traffic Class και Flow Label, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν προς αυτήν την κατεύθυνση. Το αποτέλεσμα ήταν ο σχεδιασμός μιας ομάδας υπηρεσιών QoS (απόλυτης προτεραιότητας σε IP κίνηση, εγγυημένου εύρους ζώνης για L2 συνδέσεις μέσω ιδεατών δικτύων καθώς και κίνησης χαμηλής προτεραιότητας). Ο σχεδιασμός αυτός ολοκληρώθηκε με την υλοποίηση μιας πλήρους εφαρμογής bandwidth broker (κεντρικοποιημένη αρχιτεκτονική) που εκτελεί τις ακόλουθες εργασίες: μοντελοποίηση δικτύου, εφαρμογή του μοντέλου διαστασιολόγησης στην τρέχουσα κατάσταση, αποδοχή κλήσης QoS αιτημάτων, παραγωγή παραμέτρων ρύθμισης για τις δικτυακές συσκευές, παρακολούθηση λειτουργίας QoS στο δίκτυο, επικοινωνία με αντίστοιχους bandwidth brokers σε γειτονικά domains και πλήρη διαχείριση των αιτημάτων QoS. Επιπλέον, δεδομένου ότι οι ανάγκες των εφαρμογών για QoS αυξάνονται, πρέπει να δίνεται μεγαλύτερη ευελιξία μια QoS σηματοδοσία. Για το λόγο αυτό μελετήθηκε και υλοποιήθηκε μια εφαρμογή αυτόματης σηματοδοσίας χρησιμοποιώντας το ευρέως γνωστό πρωτόκολλο δρομολόγησης BGP. Το αποτέλεσμα είναι να επιτυγχάνεται δυναμική σηματοδοσία για QoS σε ένα δίκτυο μέσω μιας διεπαφής που βασίζεται σε Web service ή σε μια Βάση Δεδομένων. Το σύνολο της εργασίας αυτής δοκιμάστηκε και εφαρμόστηκε στο Εθνικό Δίκτυο Έρευνας & Τεχνολογίας και είναι διαθέσιμο σε αντίστοιχα ερευνητικά εθνικά δίκτυα. Επιπλέον, μια σημαντική παράμετρος της υποστήριξης QoS μηχανισμών από άκρο σε άκρο είναι η συνεργασία μεταξύ διαφορετικών αυτόνομων τμημάτων (domains) που απαιτείται προκειμένου η κίνηση να υφίσταται προνομιακή μεταχείριση καθ’ όλη τη διαδρομή της και να της παρέχονται οι αναγκαίες εγγυήσεις ποιότητας. Η διαπραγμάτευση της συνεργασίας αυτής είναι σαφές ότι πρέπει να είναι όσο το δυνατόν αυτοματοποιημένη για να μπορούν τέτοιου είδους υπηρεσίες να γνωρίσουν ευρύτερη διάδοση. Ο υλοποιημένος bandwidth broker επεκτάθηκε ώστε μέσω Web service διεπαφών να «συνομιλεί» με αντίστοιχους άλλων domains. Παράλληλα, στα πλαίσια της εργασίας αυτής ασχοληθήκαμε επίσης με κατανεμημένες αρχιτεκτονικές bandwidth broker όπου έγιναν υλοποιήσεις σε επίπεδο εξομοίωσης. Αρχικά υλοποιήθηκαν ή επεκτάθηκαν οι υλοποιήσεις των μηχανισμών QoS στον εξομοιωτή και δημιουργήθηκε και δοκιμάστηκαν QoS σενάρια. Στη συνέχεια υλοποιήθηκαν παραλλαγές bandwidth broker που ακολουθούσαν κεντρικοποιημένες και κατανεμημένες αρχιτεκτονικές. Στόχος της μελέτης ήταν να μελετηθεί το trade-off στη λειτουργία τους και να συσχετιστεί με τις εκάστοτε δικτυακές συνθήκες. Στην κατανεμημένη λειτουργία εξαρτάται σημαντικά από την τοπολογία του δικτύου, από την διαμόρφωση του bandwidth broker πάνω στη τοπολογία και από την κατανομή QoS αιτημάτων. Για το τελευταίο μελετήθηκε ένας αλγόριθμος προσαρμογής ενός κατανεμημένου bandwidth broker ώστε να επιλέγεται η βέλτιστη διαμόρφωσή του στο δίκτυο (με βάση τις συνθήκες δικτύου) με στόχο την ταχύτερη απόκριση. Τέλος, στα πλαίσια της εργασίας αυτής διερευνήθηκε το θέμα της «inter domain» δρομολόγησης σε μια πλήρη τοπολογία ανεξάρτητων – αυτόνομων domains για την εξεύρεση του βέλτιστου μονοπατιού που ικανοποιεί τις QoS απαιτήσεις. Ειδικότερα , μελετήθηκαν διάφορα μοντέλα και δοκιμάστηκαν πειραματικά σε επίπεδο εξομοίωσης, δίνοντας έμφαση σε θέματα αυτονομίας διαχείρισης στο εσωτερικό κάθε ανεξάρτητου domain και στην τήρηση των SLAs μεταξύ γειτονικών domains. / The main goal of this dissertation is the study of the provisioning of Quality of Service guarantees to part of the total traffic traversing ΙΡ networks. The study is focused on both IPv4 and IPv6 protocol, as IPv6 overcome the limitation that IPv4 has introduced. Also goal of this dissertation is the development of mechanisms and algorithms for the effective administration of resources, the best possible fairness in distributing the quality of service, and the possibility of cooperation and interoperability between different domains in an automated way (without the need for human intervention in most cases). For this reason, a number of approaches have been proposed related to Bandwidth Brokers. These approaches are studied in this dissertation, while new algorithms and mechanisms are proposed for the improvement of their operation and performance. IPv4 was capable of supporting QoS mechanisms at the network layer using the TOS field (Type of Service). IPv6 advances and improves on this idea, by supplying two new fields in the standard header, called Traffic Class and Flow Label, which can be used for this purpose. The usage of these fields, as well as the usage of IPv6 is still at an early stage. However, while IPv6 comes to the foreground and becomes mature enough to replace the dominant IPv4, it is especially interesting to investigate the way that IPv6 QoS capabilities are practically going to be exploited. An important parameter for supporting end-to-end QoS mechanisms is the interaction between multiple domains so that the designated traffic is subjected to preferential treatment along the whole path. The negotiation of this interaction clearly has to be as much automated as possible, if such services are to be widely supported. For this reason, RFC 2638 from IETF has defined the Bandwidth Broker entity. According to the RFC definition, it controls the network load by accepting or rejecting requests for specific bandwidth with QoS guarantees. Bandwidth Brokers only need to establish relationships of limited trust with their peers in adjacent domains, unlike schemes that require the setting of flow specifications in routers throughout an end-to-end path. In practical technical terms, the Bandwidth Broker architecture makes it possible to keep state on an administrative domain basis, rather than at every router and the service definitions of Premium and Assured service make it possible to confine per flow state to just the leaf routers. In the framework of this dissertation we studied a full QoS framework, including priority and assured bandwidth services for Greek Research and Technology Network. In addition, we studied and implemented a bandwidth broker that manages these services in the above network and it also communicate with adjacent domains (like Geant, the Pan-European Academic Network), providing end-to-end provisioning. The implemented bandwidth broker is based on open source tools and belongs to Grnet’s production services portfolio. Finally, it is available for use to other Research networks as well as the experience from the development. Additionally, we studied distributed architectures of bandwidth brokers using simulation tools. We implemented some enhancements on NS-2 simulator in order to have all the necessary tools for QoS tests and measurements. Next, we simulated and compared distributed and centralized models, focusing on the trade-off in their operation related to the network conditions. In distributed architectures, the operation is highly affected by topology and the distribution of service’s requests. Therefore, we studied an algorithm that adapts the distributed bandwidth broker according to several conditions, by changing the location of the main base station and the overall configuration. Finally, we studied several models for the inter-domain routing in a topology with many independent autonomous systems, aiming at investigate the best routing path that provides the QoS guarantees while the autonomous systems keeps the privacy and the SLAs in their domains.

Στόχος της εργασίας είναι να εμβαθύνει πάνω στο σημαντικό θέμα της ποιότητας υπηρεσίας, εξειδικεύοντας το θέμα για τα ATM switches. Μελετά τους αλγορίθμους που εφαρμόζονται ή λειτουργούν σε θεωρητικό επίπεδο για τα ATM switches και τον τρόπο που επηρεάζουν τις διάφορες παραμέτρους του QoS. Για το λόγο αυτό ορισμένοι αλγόριθμοι εφαρμόζονται σε εξομοιωτή δικτύων και με βάση τη συμπεριφορά τους εκτιμάται η επίδραση των διαφόρων αλγορίθμων στην απόδοση και τη συμπεριφορά των δικτύων. / This research examines closely the important issue of quality of service, specializing the issue on ATM switches. It examines the algorithms that are applied or used on theoretical level on ATM switches and the way they affect the QoS parameters. For this reason some algorithms are applied on a network simulator and according the network’s behavior we estimate the effect of different algorithms on networks’ performance and behavior.

Αντικείμενο της παρούσας Διατριβής είναι η μελέτη της απόδοσης και η εισαγωγή νέων χαρακτηριστικών σε μοντέλα για την παροχή υπηρεσιών με εγγυήσεις ποιότητας στα σύγχρονα IP δίκτυα καθώς και η εισαγωγή των απαραίτητων επιχειρησιακών λειτουργιών για την εφαρμογή των μοντέλων αυτών, με στόχο τη βελτίωση της απόδοσης. Ακολουθώντας μια καταγραφή και αξιολόγηση των μηχανισμών και αρχιτεκτονικών που εισάγουν τη διαφοροποίηση εξυπηρέτησης στα IP δίκτυα, η μελέτη που παρουσιάζεται εδώ ακολουθεί σε όλα της τα στάδια τις αρχές της αρχιτεκτονικής DiffServ, η οποία επιτρέπει την παροχή ενός συγκεκριμένου εύρους υπηρεσιών με εγγυήσεις ποιότητας σε συναθροίσεις ροών και περιορίζει την πολυπλοκότητα στα όρια του δικτύου. Η απόδοση και η αποτελεσματικότητα των μηχανισμών και λειτουργιών διαφοροποίησης εξυπηρέτησης με βάση την αρχιτεκτονική DiffServ αξιολογούνται με βάση την εξασφάλιση εγγυημένης χωρητικότητας, φραγμένης από-άκρο-σε-άκρο καθυστέρησης, ελαχιστοποιημένων απωλειών πακέτων και φραγμένου jitter. Ωστόσο, σε κάθε μοντέλο υπηρεσίας για την παροχή QoS, τονίζεται η σημασία της εξασφάλισης των καλύτερων δυνατών εγγυήσεων ποιότητας με την ελάχιστη δυνατή πολυπλοκότητα. Τα διαφορετικά μοντέλα υπηρεσιών θέτουν συγκεκριμένους στόχους λαμβάνοντας υπόψη τις ανάγκες των εφαρμογών στις οποίες απευθύνονται. Οι δύο επικρατέστερες κατηγορίες υπηρεσιών στα πλαίσια της αρχιτεκτονικής DiffServ είναι η κατηγορία των υπηρεσιών μέγιστης προτεραιότητας και η κατηγορία των υπηρεσιών εγγυημένης χωρητικότητας σε συνθήκες συμφόρησης. Στην πρώτη κατηγορία, προτείνεται το μοντέλο υπηρεσίας Gold, το οποίο ακολουθεί τις αρχές τις αρχιτεκτονικής DiffServ για να παρέχει βέλτιστη ποιότητα εξυπηρέτησης σε συναθροίσεις IP ροών, ενώ ταυτόχρονα μπορεί να εφαρμοστεί πρακτικά σε δίκτυα παραγωγής. Στη δεύτερη κατηγορία, προτείνεται το μοντέλο υπηρεσίας Relative για την παροχή υπηρεσιών εγγυημένης χωρητικότητας σε συνθήκες συμφόρησης, με βασικά χαρακτηριστικά την μείωση της υπολογιστικής πολυπλοκότητας και την βελτίωση της δικαιοσύνης μεταξύ των εξυπηρετούμενων TCP ροών. Η υπηρεσία Gold διατηρεί την αρχή της επεκτασιμότητας και παρέχει αυστηρές εγγυήσεις ποιότητας αλλά ταυτόχρονα επιτρέπει την εφαρμογή μηχανισμού ελέγχου αποδοχής νέων αιτημάτων χωρίς διακοπή της λειτουργίας του δικτύου. Eισάγει επίσης ένα νέο χαρακτηριστικό σε σχέση με τα υπάρχοντα σχήματα: την διαφοροποίηση ως προς την εγγυημένη μέγιστη καθυστέρηση που παρέχεται στις ροές. Υλοποιείται με τη χρονοδρομολόγηση LA-EDF, που εισάγει την έννοια της διαφοροποιημένης εξυπηρέτησης εντός της ίδιας κλάσης υπηρεσίας και λειτουργεί ως υποστηρικτικός μηχανισμός του ελέγχου αποδοχής κλήσεων, τον αλγόριθμο DBAC για την αποδοχή κλήσεων χωρίς επέμβαση στη λειτουργία του δικτύου και την δρομολόγηση εξισορρόπησης φόρτου για την καλύτερη αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων χωρίς να παραβιάζονται οι εγγυήσεις ποιότητας. Η υπηρεσία Relative επιτυγχάνει προσαρμοστικότητα σε συνθήκες μεταβαλλόμενου φόρτου, δίκαιη διαφοροποίηση, υψηλή απόδοση, αύξηση της χρησιμοποίησης των διαθέσιμων πόρων ενώ αντιμετωπίζει πολλές από τις αδυναμίες που παρουσιάζουν αντίστοιχα μοντέλα. Υλοποιείται με τον μηχανισμό μαρκαρίσματος TWAM ο οποίος εφαρμόζεται στο σημείο εισόδου των ροών στο δίκτυο και αντιμετωπίζει τα θέματα της μη δίκαιης μεταχείρισης TCP ροών με τη μικρότερη δυνατή υπολογιστική επιβάρυνση σε σχέση με υπάρχοντες μηχανισμούς μαρκαρίσματος και τον μηχανισμό DWRED για την ενεργητική διαχείριση του αποθηκευτικού χώρου των ουρών, ο οποίος λειτουργεί με βάση το μαρκάρισμα της κίνησης που επιφέρει ο TWAM και προσαρμόζεται στις μεταβαλλόμενες συνθήκες λειτουργίας. Μεταξύ των καθοριστικών παραγόντων για την ευρεία υιοθέτηση υπηρεσιών βασισμένων στην αρχιτεκτονική DiffServ στα σύγχρονα δίκτυα παραγωγής, αναδεικνύονται η εισαγωγή ευέλικτων επιχειρηματικών μοντέλων για την υλοποίηση των υπηρεσιών αυτών στο εσωτερικό ενός δικτύου καθώς και χρέωσης των παρεχόμενων υπηρεσιών. Ο ορισμός Συμβολαίων Εξασφάλισης Επιπέδου Υπηρεσιών (ΣΕΕΥ) για δίκτυα που υποστηρίζουν την παροχή QoS υπηρεσιών με βάση την αρχιτεκτονική DiffServ έχει ως στόχο την εξασφάλιση της συμβατότητας των παρεχόμενων από διαφορετικά διασυνδεδεμένα δίκτυα υπηρεσιών προκειμένου για την από-άκρο-σε-άκρο εξασφάλιση εγγυήσεων ποιότητας. Προτείνεται ένα πρότυπο για την υλοποίηση διμερών ΣΕΕΥ σε IP δίκτυα που παρέχουν υπηρεσίες μέγιστης προτεραιότητας καθώς και μια μεθοδολογία για την υλοποίηση από-άκρο-σε-άκρο Συμβολαίων πάνω από διασυνδεδεμένα δίκτυα. Σε ένα IP δίκτυο, η εισαγωγή ενός αριθμού κλάσεων υπηρεσιών που διαφοροποιούνται στις παρεχόμενες ποιοτικές εγγυήσεις απαιτεί την εισαγωγή διαφοροποιημένων μοντέλων χρέωσης που επιπρόσθετα οδηγούν τους χρήστες στην επιλογή της κατάλληλης κλάσης υπηρεσίας η οποία μεγιστοποιεί την αντιληπτή χρησιμότητα. Προκειμένου για τη χρέωση υπηρεσιών με βάση την αρχιτεκτονική DiffServ, τα προφίλ κίνησης των χρηστών και οι διαφορές στην αντιληπτή ποιότητα αντιπροσωπεύουν τη χρησιμότητα που αντιλαμβάνεται ο χρήστης. Προτείνεται ένα μοντέλο χρέωσης όπου το προφίλ της κίνησης αποτελεί το αντικείμενο διαπραγμάτευσης του χρήστη με τον πάροχο, αφού ο χρήστης συνυπολογίσει τις εγγυήσεις ποιότητας εξυπηρέτησης που ανακοινώνονται από τον τελευταίο προκαταβολικά. Η καινοτομία του προτεινόμενου μοντέλου συνίσταται στις εξωτερικές συνθήκες (externalities) που υπεισέρχονται στα υφιστάμενα κόστη και προκαλούνται από τη φύση των υπηρεσιών που υλοποιούνται με βάση το μοντέλο DiffServ, καθώς επίσης και στον καθορισμό των πραγματικών τιμών με βάση τις οποίες χρεώνονται οι χρήστες. / The goal of this Dissertation is to study the performance of existing tools and the introduction of new features to quality of service provisioning models in IP networks as well as the introduction of the business models required for applying these models in an operational environment in ways that the performance is improved. Following the evaluation of mechanisms and architectures for differentiation of service in IP networks, the principles of the DiffServ framework have been adopted. The DiffServ framework specifies the provision of a set of services with qualitative guarantees to traffic aggregates, while keeping complexity at the network edges. The performance and effectiveness of service differentiation mechanisms according to the principles of the DiffServ framework are evaluated according to the following metrics: guaranteed capacity, bounded end-to-end delay, minimization of packet losses and jitter. However, in any QoS model, it is important to ensure the best quality possible by keeping complexity low. Each QoS model is designed to meet the needs of a different traffic type. The two prevailing service models within the DiffServ framework are the maximum priority, maximum quality model and the guaranteed capacity under congestion model. The proposed Gold service falls within the first category above, offering advanced quality to IP traffic aggregates with a set of principles that can easily be applied to operational networks. The proposed Relative service model provides guaranteed capacity under congestion by reducing the complexity and improving fairness among TCP flows. The Gold service preserves scalability and provides strict quality guarantees, incorporating a call admission control mechanism that operates without interfering with the network operations. It introduces a novel feature: differentiation of the guarantees on end-to-end delay provided to traffic flow. It is implemented using LA-EDF scheduling that introduces service differentiation within the same class and supports the call admission control functions, the DBAC algorithm for admission control and flow routing with load balancing for optimizing the use of available resources without compromising in terms of the guaranteed quality. The Relative service achieves high adaptability in transient load conditions, fair differentiation, high quality, increase in the utilization of available resources without demonstrating the same weaknesses as equivalent service models. It is implemented using the TWAM marking mechanism, which is applied at the network ingress and ensures fairness with less overhead than similar mechanisms, and DWRED, the active queue management mechanism that depends upon the TWAM marking and adapts to the varying load levels. The introduction of effective business and pricing models is crucial for the adoption of qualitative service models based on the DiffServ framework in a production network. The definition of Service Level Agreements (SLAs) for networks that provide QoS according to the principles of the DiffServ framework aims at introducing compatibility among the services provided for the provisioning of end-to-end quality guarantees. A template for the implementation for bilateral SLAs between networks that support the maximum priority, maximum quality service model is proposed, together with a methodology for implementing, based on the bilateral SLA, an end-to-end SLA over multiple domains. In an IP network, the introduction of a set of services classes with differing quality guarantees necessitates the application of differentiated pricing models that lead the users to the selection of the appropriate service class in order to maximize their perceived utility. Based on the principles of the DiffServ framework, the utility for each user is determined by the profile of his traffic and the quality of service he perceives. The proposed pricing model appoints the traffic profile as the parameter for negotiation between the user and the provider, after the user assesses the quality guarantees announced by the provider prior to the service provisioning. The innovation here lies in the introduction of externalities to the costs induced as well as the announcement of the actual prices upon which the user will eventually be charged. The externalities are imposed by the nature of the service models implemented according to the DiffServ framework.

Οι Δομές Δεδομένων είναι ένας από τους σημαντικότερους και ιστορικότερους κλάδους της Επιστήμης των Υπολογιστών, με συνεχή εξέλιξη από τη δεκαετία του εβδομήντα μέχρι σήμερα, παρέχοντας λύσεις σε θεμελιώδη προβλήματα σε ταξινόμηση, οργάνωση, διαχείριση και αναζήτηση πληροφορίας. Παράλληλα, η ανάπτυξη σύγχρονων κλάδων της Επιστήμης των Υπολογιστών όπως τα Σύγχρονα, Δικτυοκεντρικά Πληροφοριακά Συστήματα και η Βιοπληροφορική, έφερε μαζί της την έκρηξη των δεδομένων. Η ανάγκη αποδοτικής διαχείρισης της παρεχόμενης πληροφορίας καθίσταται έτσι πιο επιτακτική από ποτέ. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής αναγνωρίζοντας την ανάγκη για αποδοτική διαχείριση πληροφορίας σε όλα τα επίπεδα, παρουσιάζουμε τη μελέτη και την πρόταση λύσεων σε σύγχρονα προβλήματα στους χώρους: της Διαχείρισης Συμβολοσειρών, της Αναδιοργάνωσης Δικτυακών Τόπων, της Ανακάλυψης Web Services με υποστήριξη χαρακτηριστικών Ποιότητας Υπηρεσίας και της Προσωποποιημένης Ανάκτησης Πληροφορίας στο Διαδίκτυο. Σε αυτή την κατεύθυνση, στον τομέα της Διαχείρισης Συμβολοσειρών, παραθέτουμε αλγορίθμους σε θεμελιώδη προβλήματα στο χώρο της διαχείρισης Σταθμισμένων Ακολουθιών (weighted sequences), όπως ταίριασμα προτύπου, εύρεση επαναληπτικών δομών, και συνεχίζουμε δίνοντας απλοποιητικές αλλά βέλτιστες λύσεις σε προβλήματα περιοδικοτήτων σε συνήθεις συμβολοσειρές, όπως τα προβλήματα εύρεσης όλων των καλυμμάτων μιας συμβολοσειράς, εύρεσης της περιόδου μιας συμβολοσειράς και εύρεσης όλων των φύτρων μιας συμβολοσειράς. Στην Αναδιοργάνωση Δικτυακών Τόπων, παραθέτουμε δυο διαφορετικές μετρικές για την αποτίμηση της αντικειμενικής αξίας των ιστοσελίδων του κάθε ιστοτόπου. Αυτές οι μετρικές παραλλάζουν τις προσβάσεις που δέχεται κάποια ιστοσελίδα με τρόπο που καταδεικνύει την αντικειμενική αξία της ιστοσελίδας. Από πειραματική αποτίμηση των μετρικών, προκύπτει ότι παρέχουν ακριβή πληροφόρηση για τα σημεία του δικτυακού τόπου που χρήζουν αναδιοργάνωσης. Στη συνέχεια δίνουμε μια μέθοδο για τον εντοπισμό σημαντικών τμημάτων μεγαλύτερου μεγέθους στο δικτυακό τόπο και παρουσιάζουμε μια σειρά μεθόδων τόσο σε τεχνικό όσο και θεωρητικό επίπεδο για την αναδιοργάνωση ενός δικτυακού τόπου. Στον τομέα της Ανακάλυψης Web Services, εξετάζουμε την Ανακάλυψη που πληροί περιορισμούς ως προς την παρεχόμενη Ποιότητα Υπηρεσίας. Αρχικά, παρουσιάζονται δυο απλές μέθοδοι για την καταχώριση χαρακτηριστικών ποιότητας υπηρεσίας επεκτείνοντας υπάρχοντα πρότυπα υλοποίησης Web Service. Στη συνέχεια παρουσιάζουμε έναν αλγόριθμο για την ανακάλυψη του σεναρίου εκτέλεσης μιας ακολουθίας (workflow) από συνεχόμενες Web Services, που ελαχιστοποιεί το συνολικό χρόνο εκτέλεσης. Μια σειρά από ευριστικές μεθόδους παρουσιάζονται επίσης, για την υλοποίηση σε πρακτικό επίπεδο του προτεινόμενου αλγορίθμου, οι οποίες αποτιμούνται πειραματικά. Τέλος, στον τομέα της Προσωποποιημένης Ανάκτησης Πληροφορίας στο Διαδίκτυο εξετάζουμε διαφορετικές τεχνικές προσωποποίησης των αποτελεσμάτων των μηχανών αναζήτησης. Η πρώτη τεχνική εφαρμόζει μετα-κατηγοριοποίηση των αποτελεσμάτων και παρουσίασή τους ανάλογα με τη σειρά ενδιαφέροντος του χρήστη ως προς τις κατηγορίες των αποτελεσμάτων. Η δεύτερη τεχνική, βασίζει την προσωποποίηση στην έμμεση απεικόνιση των ενδιαφερόντων χρήστη στις κατηγορίες του Open Directory Project, επεκτείνει μια τεχνική που έχει πρόσφατα προταθεί, τους ιδεατούς κόμβους συσχέτισης κατηγοριών, και χτίζει πολλαπλά επίπεδα ιδεατών κόμβων για την επίτευξη πιο εκλεπτυσμένης προσωποποίησης. Κλείνοντας, παρουσιάζουμε την επέκταση της λογικής της μεθόδου προσωποποίησης για την κατασκευή εστιασμένων συλλεκτών. / Data Structures is one of the most important and most historical sectors of Computer Science, being under continuous development since the seventies. Data Structuring has offered solutions to fundamental problems in sorting, organising, and retrieving information. Meanwhile, the development of the modern fields of Computer Science such as Modern, Net-centric Information Systems and Bioinformatics has signalled a data blow-up. Therefore, the need for efficient information management has become a necessity. In this Thesis, having recognized the need for efficient information management at every level, we present a study and solutions to contemporary problems in the areas of: String Processing, Website Reorganization, Web Service retrieval with support for Quality of Service characteristics, and Personalized Information Retrieval on the Web. In the area of String Processing, we present algorithms for solving fundamental problems in Weighted Sequence Processing, such as Pattern Matching, Repetitive Structures Detection and we continue by giving simplifying yet optimal solutions to periodicity problems in ordinary sequences, namely detecting all covers in a sequence, detecting the period of a sequence and detecting all the seeds of a sequence. In the area of Website Reorganization, we present two different metrics for evaluation of the objective importance of each website's pages. These metrics modify the accesses each page receives in order to present the actual page importance. We have seen from the experimental evaluation of those metrics that they provide accurate information about the areas inside the website in need of reorganization. Furthermore, we present a method to detect larger important parts inside the website and we present methods for website reorganisation both from a technical and from a theoretical viewpoint. In the area of Web Service Retrieval we are coping with retrieval under constraints for the provided Quality of Service (QoS). Firstly, we present two simple methods to register QoS information by extending existing Web Service protocols. Secondly, we present an algorithm to discover the execution scenario for a sequence of contiguous Web Services that minimizes the total execution time. A series of heuristics to implement the above algorithm is also presented. We also present an extensive experimental evaluation of those heuristics. Ultimately, we present different personalization techniques for personalized Web Information Retrieval. The first technique, applies post-categorization of search engine results and presents them according to user preferences with respect to the results' categories. The second technique is based on implicit mapping of user preferences to the categories of the Open Directory Project, it extends a recently proposed technique, namely virtual nodes for associating categories, and builds multiple layers of nodes to achieve more elaborate personalization. Finally, we present the extension of personalization methods in order to build focused crawlers.

Η παρούσα διατριβή κινείται στο χώρο των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων και έχει ως αντικείμενο τη μελέτη και τη σύνθεση μηχανισμών που βελτιώνουν τη λειτουργία τους. Ο όρος Ασύρματα Δικτυωμένα Συστήματα αναφέρεται στα συστήματα των οποίων τα δομικά στοιχεία συνδέονται μέσω ασύρματων δικτύων, με την έμφαση να δίνεται στα αυτό-οργανωμένα δίκτυα και στα δίκτυα αισθητήρων. Η βελτιστοποίηση και ο έλεγχος ενός Ασύρματα Δικτυωμένου Συστήματος γίνεται με γνώμονα την Ποιότητα των παρεχόμενων Υπηρεσιών του δικτύου, η οποία χρησιμοποιείται ως μέτρο αξιολόγησης και επαναπροσδιορισμού των παραμέτρων λειτουργίας αυτού. Προσεγγίζοντας το θέμα από την οπτική γωνία του δικτύου, οι μηχανισμοί που είναι υπεύθυνοι για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων, αποστασιοποιούνται από την ανάπτυξη νέων πρωτοκόλλων για τα διάφορα επίπεδα του μοντέλου αναφοράς Ανοιχτής Διασύνδεσης Συστημάτων. Για τον λόγο αυτό, αναφορικά με το μοντέλο αναφοράς Ανοιχτής Διασύνδεσης Συστημάτων, το ζήτημα της βελτιστοποίησης της λειτουργίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων προσεγγίζεται από τα ακραία επίπεδα της στοίβας πρωτοκόλλων, και συγκεκριμένα από την οπτική γωνία του Επιπέδου Εφαρμογής και του Φυσικού Επιπέδου. Στο Επίπεδο Εφαρμογής το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στην διασφάλιση των περιθωρίων ευστάθειας για τα Ασύρματα Δικτυωμένα Συστήματα Ελέγχου. Η διασφάλιση της ομαλής λειτουργίας του συστήματος κλειστού βρόχου βασίζεται σε διακοπτικές δομές ελέγχου, των οποίων οι παράμετροι λειτουργίας καθορίζονται από την Ποιότητα Υπηρεσίας του δικτύου, και συγκεκριμένα από το ποσοστό των επιτυχώς ληφθέντων πακέτων. Στο Φυσικό Επίπεδο εξετάζεται αρχικά το πρόβλημα αποκατάστασης της συνδεσιμότητας μεταξύ των μελών ενός Ασύρματα Δικτυωμένου Συστήματος και στην συνέχεια το πρόβλημα επαναπροσδιορισμού της ποιότητας των ασύρματων ζεύξεων. Οι κεντρικοποιημένοι και κατανεμημένοι μηχανισμοί που αναπτύσσονται για τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων της Ποιότητας Υπηρεσίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων στο Φυσικό Επίπεδο βασίζονται σε εργαλεία της Υπολογιστικής Γεωμετρίας, συνδυάζοντας τα χωρικά χαρακτηριστικά ενός Ασύρματα Δικτυωμένου Συστήματος με δημοφιλή μοντέλα διάδοσης μεγάλης κλίμακας. Τέλος, η αξιολόγηση των μεθόδων ελέγχου και βελτιστοποίησης της λειτουργίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων πραγματοποιείται με την εφαρμογή τους σε κατάλληλες πειραματικές διατάξεις και σε ένα καθορισμένο σύνολο σεναρίων εξομοίωσης. / The primary objective of the present PhD thesis is the analysis and the synthesis of mechanisms and algorithms that optimize the operation of Wireless Networked Systems. The term Wireless Networked Systems is used to describe the distributed systems, whose components are interconnected over wireless networks. Referring to wireless networking, the emphasis is given at the self-organized Ad-hoc and Sensor Networks. The effort made is focused on the reconfiguration of the Quality of Service of the underlying network. From such a perspective, the mechanisms responsible for improving the Quality of Service differentiate from the design of novel, specialized communication protocols. More specifically, with respect to the Open Systems Interconnection Reference Model (OSI-RM), the optimization issues of the Wireless Networked Systems’ operation are examined at the Application and Physical Layer. At the Application Layer, problems related to the guarantee of the stability margins for Wireless Networked Controlled Systems are studied. More precisely, the assurance of the desired performance for the closed-loop controlled system is based on switching control techniques. The optimization decision variables are determined by the network’s Quality of Service parameters. At the Physical Layer the objective is twofold: (a) to establish the physical connectivity among the members of the Wireless Networked System and (b) to optimize of the wireless link’s quality. Based on the combination of the spatial characteristics of the Wireless Networked Systems with large-scale radio propagation models, the centralized and distributed mechanisms, synthesized for the optimization of the network’s Quality of Service at the Physical Layer, exploit effectively concepts adopted by the Computational Geometry. Finally, properly developed experimental testbeds and network simulation scenaria are utilized to examine the efficiency of the synthesized mechanisms for the control and optimization of the operation of Wireless Networked Systems at the Application and Physical Layer.