Ενεργά λέμε τα δίκτυα τα οποία επεξεργάζονται και τα περιεχόμενα (και όχι μόνο την επικεφαλίδα) των πακέτων που μετάγουν. Επικεντρωνόμαστε στα ενεργά δίκτυα ενθυλάκωσης, όπου ο προς εκτέλεση κώδικας συμπεριλαμβάνεται στα μεταγώμενα πακέτα, σε αντιδιαστολή με τους προγραμματιζόμενους μεταγωγείς. Παρουσιάζεται αναλυτικά το Active Networks Encapsulation Protocol (ANEP). Παρουσιάζονται δικτυακές εφαρμογές στις οποίες τα ενεργά δίκτυα βελτιώνουν την απόδοση της εφαρμογής και ταυτόχρονα μειώνουν τις απαιτήσεις σε δικτυακούς πόρους. Ακολούθως εστιάζουμε στην \"Ενεργή Αξιόπιστη Πολλαπλή Μετάδοση\", ένα πρωτόκολλο αξιόπιστης πολλαπλής μετάδοσης το οποίο χρησιμοποιεί την ενεργή μεταγωγή για να διαχειριστεί την ανάκτηση απωλειών πακέτων εντός του δικτύου (καταστολή NACK, λανθάνουσα μνήμη για πακέτα διόρθωσης, πολλαπλή μετάδοση περιορισμένης εμβάλειας). Παρέχονται αποτελέσματα προσομοιώσεων που υποστηρίζουν την θέση ότι ακόμα και με μικρό ποσοστό ενεργών κόμβων, ένα ενεργό δίκτυο μπορεί να βελτιώσει ουσιαστικά τις επιδόσεις της εφαρμογής και να μειώσει ταυτόχρονα την χρήση εύρους ζώνης. Κλείνοντας, κάνουμε κάποια τελικά σχόλια και εξάγουμε συμπεράσματα σχετικά με το υψηλό κόστος εγκατάστασης και συντήρησης των ενεργών δίκτυων, και πως αυτό αντιδιαστέλλεται με τα πλεονεκτήματα των τελευταίων σε σχέση με τις επιδόσεις των εφαρμογών και την χρήση των δικτυακών πόρων. / Active Networks are networks consisting (at least partially) of active nodes. A node is active if it doesn’t only processes a packet’s header in order to route it, but is also able to evaluate and process the packet’s payload. There are two kinds of active networks, depending on whether they are based on programmable switches or on capsules which bundle code together with the data. This dissertation focuses on the latter. The operational model of an active network of this kind comprises code execution models, network node management models and resource allocation policies. The Active Networks Encapsulation Protocol (ANEP) sets the mechanism for defining the platform required to evaluate the code that is encapsulated in the packet, as well the nodes’ behaviour when they do not support the required platform (drop the packet or simply forward it). This mechanism provides active networks with the flexibility to operate even when a very small percentage of the network’s node is actually active. There are various situations and where active networks can make better use of network resources. There are, for example, applications where different users might make similar, but different, requests resulting in unnecessary bandwith consumption when supported by conventional caching mechanisms. Active networks can provide smart caches that will dynamically synthesize pages from data cached by previous requests. Another situation where active networks can improve network performance is network applications like tele-conference, that depend heavily on new network services. Active networks allow for the faster deployment of new network services that enhance network speed and security and rationalise bandwidth usage through, for example multicast. Furthermore, active networks can support specialised applications, like for example on-line auctions, with custom-made network services. It is important to note that when measuring network performance, one should focus onto the network application’s performance, rather than network per-packet metrics like throughput and latency. In other words, intranetwork processing might increase both packet size and latency, but will improve the application’s end-to-end performance and reduce total network load. The protocols for three innovative network applications are presented: active reliable multicast, auctions over the network and remote sensor merging. For each of these we present network services that can be easily implemented and deployed in active networks to improve application performance. Finally, a more detailed analysis (by means of simulation) of an active reliable multicast protocol is presented. Active networks achieve two ends: on the one hand they push the idea of a network proxy to its logical end by effectively turning all network elements into smart proxies that provide caching, filtering, NACK suppression and other services. On the other hand they carry out part of the computation inside the network, bringing it closer to the data sources. When the computation is, for example, data merging this is beneficial to both the application and the network resources. This, however, can only be achieved at a cost. First of all in hardware, since network elements have to be upgraded from simple routers to full-blown computers capable of supporting Java and scripting languages. But also in latency, since packets have to undergo much more complex processing along the way that simple routing. In the applications presented here the costs associated with active transport are counter-balanced by the advantages the latter has to offer to the application as well as to the network. The bet that active networks have to win in order to get widely accepted, is to have enough active application protocols developed that their installation and maintenance cost can be justified.

Long Term Evolution (LTE) είναι το όνομα που έδωσε το 3GPP στο πρόγραμμα εξέλιξης των κινητών συστημάτων επικοινωνιών τρίτης γενιάς UMTS, με στόχο την αντιμετώπιση των μελλοντικών απαιτήσεων της αγοράς των κινητών δικτύων. Βασικοί στόχοι του νέου προτύπου LTE αποτελούν η αυξημένη απόδοση, το μικρότερο κόστος υλοποίησης, η μείωση της πολυπλοκότητας λειτουργίας και η παροχή νέων εξελιγμένων υπηρεσιών, κάνοντας χρήση νέων φασμάτων λειτουργίας. Οι προσδοκίες από το LTE είναι ιδιαίτερα υψηλές και βασίζονται στην παροχή υπηρεσιών απαλλαγμένων από τις απώλειες. Συνεπώς, η επιτυχία του LTE θα καθοριστεί από την ικανότητα παροχής κινητών συσκευών και ασύρματης υποδομής που θα ανταποκρίνονται στα πρότυπα του 3GPP και θα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικά στις απώλειες της ασύρματης μετάδοσης, ώστε να προσφέρονται βελτιωμένες υπηρεσίες υψηλής απόδοσης. Μία βασική πτυχή των προδιαγραφών του συστήματος LTE είναι η ενίσχυση της υπηρεσίας Multimedia Broadcast/Multicast Services, όπου το ίδιο περιεχόμενο μεταδίδεται σε πολλαπλούς χρήστες που βρίσκονται σε μία συγκεκριμένη περιοχή μετάδοσης της υπηρεσίας. Η υπηρεσία MBMS πρωτοπαρουσιάστηκε σαν ένα νέο χαρακτηριστικό στην έκδοση 6 του 3GPP, ώστε να προσφέρει broadcast και multicast μετάδοση πολυμεσικού περιεχομένου σε κινητούς χρήστες μέσω MBMS ασύρματων φορέων μετάδοσης. Η υπηρεσία MBMS παρέχει δύο διαφορετικές μεθόδους διανομής περιεχομένου, τη μέθοδο download και τη μέθοδο streaming. Για να υποστηρίξει την αποδοτική διανομή MBMS περιεχομένου, το 3GPP συμπεριέλαβε ένα μηχανισμό Forward Error Correction στο επίπεδο εφαρμογών (AL-FEC). Το FEC είναι μία μέθοδος που προσφέρει έλεγχο λαθών κατά τη μετάδοση δεδομένων, η οποία χρησιμοποιείται για να υποστηρίξει ή να αντικαταστήσει άλλες μεθόδους παροχής αξιοπιστίας. Στο FEC, ο αποστολέας εισάγει πλεονάζουσα πληροφορία στη μετάδοση δεδομένων. Αυτή η πληροφορία επιτρέπει στο δέκτη να ανακατασκευάσει τα αρχικά δεδομένα. Τέτοια σχήματα αναπόφευκτα προσθέτουν ένα σταθερό overhead στα μεταδιδόμενα δεδομένα με αποτέλεσμα να είναι υπολογιστικά ακριβά. Παρόλα αυτά στα multicast πρωτόκολλα, η χρήση FEC τεχνικών προσφέρει πολύ ισχυρά κίνητρα. Η κωδικοποίηση μπορεί να εξαλείψει τις ανεξάρτητες απώλειες στους διαφορετικούς δέκτες. Επιπρόσθετα, η δραματική μείωση του ρυθμού απώλειας πακέτων μειώνει κατά ένα μεγάλο μέρος την ανάγκη επαναποστολής των χαμένων πακέτων από τον αποστολέα. Επομένως, οι FEC τεχνικές είναι πολύ εύκολο να εκπληρώσουν έναν πρωταρχικό σκοπό των multicast κινητών υπηρεσιών, που είναι η προσαρμοστικότητα σε εφαρμογές με μεγάλο αριθμό δεκτών. Αυτός είναι ο λόγος που το 3GPP συνιστά τη χρήση του AL-FEC για την υπηρεσία MBMS και πιο συγκεκριμένα, υιοθετεί τη χρήση των συστηματικών κωδίκων Raptor. Λαμβάνοντας υπόψιν τα παραπάνω, στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της απόδοσης του AL-FEC πάνω σε υπηρεσίες MBMS, εστιάζοντας στην υπηρεσία της streaming μεθόδου παράδοσης δεδομένων. Προς αυτή την κατεύθυνση, στην παρούσα εργασία μελετάμε την εφαρμογή του μηχανισμού AL-FEC πάνω σε multicast streaming υπηρεσίες των LTE, διερευνώντας πως το ποσό της πλεονάζουσας πληροφορίας ποικίλλει σε πολλαπλούς χρήστες χρησιμοποιώντας ρεαλιστικά περιβάλλοντα προσομοίωσης. Επίσης, εξετάζουμε την απόδοση του AL-FEC για διάφορες διατάξεις του δικτύου ασύρματης πρόσβασης, διάφορα μοντέλα κινητικότητας των χρηστών καθώς και διάφορες παραμέτρους της FEC κωδικοποίησης. / Long Term Evolution (LTE) is the name given to a project within the Third Generation Partnership Project (3GPP) to improve the UMTS 3G mobile system standard to cope with future requirements. Goals include improving efficiency, lowering cost, reducing complexity and improving services, making use of new spectrum opportunities. Expectations are high for LTE and are based on the premise of fault-free performance. Therefore, LTE’s initial success will be determined by the ability of handset and radio infrastructure manufacturers to deliver products that conform to 3GPP standards and are robust enough to allow operators to introduce improved services. A key aspect of LTE specifications is the enhancement of Multimedia Broadcast/Multicast Services (MBMS), where the same content is transmitted to multiple users located in a specific service area. MBMS was firstly standardized as a new feature in 3GPP Release 6, in order to broadcast and multicast multimedia content to mobile terminals via MBMS radio bearer. The MBMS provides two different delivery methods, the download delivery and the streaming delivery method. To support efficient download and streaming delivery, 3GPP has included Application Layer Forward Error Correction (AL-FEC) in the MBMS standard. FEC is a method for error control for data transmission that is used to augment or replace other reliability methods. In FEC, the sender introduces redundant information in the data transmitted. This information allows the receiver to reconstruct the source data. Such schemes inevitably add a constant overhead in the transmitted data and are computationally expensive. In multicast protocols however, the use of FEC techniques has very strong motivations. The encoding eliminates the effect of independent losses at different receivers. This makes these schemes able to scale irrespectively of the actual loss pattern at each receiver. Additionally, the dramatic reduction in the packet loss rate largely reduces the need for retransmission of lost data from the sender. FEC schemes are therefore so simple as to meet a prime objective for mobile multicast services, which is scalability to applications with thousands of receivers. This is the reason why 3GPP recommends the use of AL-FEC for MBMS and, more specifically, adopts the use of systematic Raptor code. After taking into account the above analysis, objective of this master thesis is the study of AL-FEC in MBMS, focusing on the streaming delivery method. To this direction, in this work we study the application of AL-FEC for the streaming delivery method over LTE networks. We investigate how the amount of FEC overhead varies at multiple receivers using realistic simulation scenarios and we investigate the performance of AL-FEC overhead considering different cell deployments, user mobility models and FEC encoding parameters.