Η δομή της εργασίας χωρίζεται σε πέντε μέρη. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια παρουσίαση των δικτύων υπολογιστών και του μοντέλου αναφοράς OSI που χρησιμοποιείται για την περιγραφή τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται το πρωτόκολλο επικοινωνίας TCP και αναλύονται οι μηχανισμοί και οι υπηρεσίες που παρέχει. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετάται η υλοποίηση του πρωτοκόλλου TCP στον πυρήνα του λειτουργικού συστήματος Linux και προτείνονται μέθοδοι εκτενούς παρακολούθησης της λειτουργίας του σε πραγματικό χρόνο χρησιμοποιώντας τις δυνατότητες που παρέχει ο πυρήνας του λειτουργικού συστήματος. Το τέταρτο κεφάλαιο περιλαμβάνει την πειραματική διαδικασία. Μέσα από συγκεκριμένα σενάρια που υλοποιούνται σε ένα οικιακό τοπικό δίκτυο, εξετάζεται και αξιολογείται η λειτουργία πέντε διαφορετικών αλγορίθμων συμφόρησης του πρωτοκόλλου TCP, οι οποίοι αποτελούν κομμάτι του πυρήνα του λειτουργικού συστήματος. Τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο παίρνοντας σαν αφορμή τα αποτελέσματα της συγκριτικής αξιολόγησης των πέντε αλγορίθμων προτείνονται μικρές τροποποιήσεις στον κώδικα του ενός από αυτούς με στόχο την βελτίωση της λειτουργίας του στο συγκεκριμένο τοπικό δίκτυο. / Η δομή της εργασίας χωρίζεται σε πέντε μέρη. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια παρουσίαση των δικτύων υπολογιστών και του μοντέλου αναφοράς OSI που χρησιμοποιείται για την περιγραφή τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται το πρωτόκολλο επικοινωνίας TCP και αναλύονται οι μηχανισμοί και οι υπηρεσίες που παρέχει. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετάται η υλοποίηση του πρωτοκόλλου TCP στον πυρήνα του λειτουργικού συστήματος Linux και προτείνονται μέθοδοι εκτενούς παρακολούθησης της λειτουργίας του σε πραγματικό χρόνο χρησιμοποιώντας τις δυνατότητες που παρέχει ο πυρήνας του λειτουργικού συστήματος. Το τέταρτο κεφάλαιο περιλαμβάνει την πειραματική διαδικασία. Μέσα από συγκεκριμένα σενάρια που υλοποιούνται σε ένα οικιακό τοπικό δίκτυο, εξετάζεται και αξιολογείται η λειτουργία πέντε διαφορετικών αλγορίθμων συμφόρησης του πρωτοκόλλου TCP, οι οποίοι αποτελούν κομμάτι του πυρήνα του λειτουργικού συστήματος. Τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο παίρνοντας σαν αφορμή τα αποτελέσματα της συγκριτικής αξιολόγησης των πέντε αλγορίθμων προτείνονται μικρές τροποποιήσεις στον κώδικα του ενός από αυτούς με στόχο την βελτίωση της λειτουργίας του στο συγκεκριμένο τοπικό δίκτυο.

Η παρούσα εργασία αφορά την παρουσίαση μιας νέας ιδέας στην δρομολόγηση των ασυρμάτων ad hoc δικτύων, την δομημένη δρομολόγηση. Η ιδέα αυτή εξελίχθηκε σταδιακά στην διάνοιά μου τον τελευταίο ένα χρόνο, η ιδέα για την δόμηση μιας υπερκείμενης δομής πάνω από ένα ασύρματο ad hoc δίκτυο που θα καθοδηγούσε την αναζήτηση του κόμβου προορισμού. Η έρευνά μου είχε αρχίσει από τα p2p δίκτυα και τις δομές. Κάποια στιγμή συνειδητοποίησα ότι όλα αυτά είχαν άμεση σχέση με τα ad hoc δίκτυα. Όταν τελικά διαπίστωσα την ευρεία υιοθέτηση της πλημμύρας στους αλγορίθμους δρομολόγησης στα ad hoc, ήμουν βέβαιος πως σίγουρα θα μπορούσαμε να κάνουμε κάτι καλύτερο. Να αντικαταστήσουμε την αδόμητη, τυφλή, τεχνική της πλημμύρας με μια δομημένη, κατευθυνόμενη, αναζήτηση που θα ελαχιστοποιούσε την επιβάρυνση στο δίκτυο. Έτσι άρχισε η αναζήτησή μου, που κατέληξε στην ανάπτυξη του πρωτοκόλλου CONOS. Ενός πρωτοκόλλου που φιλοδοξεί να μετατρέψει τα ad hoc δίκτυα από μια εξειδικευμένη τεχνική σε μια καθημερινή πραγματικότητα. Το πρωτόκολλο CONOS περιγράφεται αναλυτικά στο δεύτερο μέρος αυτής της αναφοράς, και όπως φαίνεται από τις μετρήσεις που έχω κάνει, όντως ελαχιστοποιεί την επιβάρυνση στην αναζήτηση του κόμβου προορισμού. Ωστόσο απομένει να γίνει και άλλη έρευνα, το κεφάλαιο 6 συνοψίζει διάφορα ανοιχτά θέματα και προτάσεις για την αντιμετώπισή τους. / -

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της μετάδοσης δεδομένων πάνω από Κινητά Δίκτυα 3ης Γενιάς και συγκεκριμένα του δικτύου UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems). Την τελευταία δεκαετία τόσο η Κυψελωτή Κινητή Τηλεφωνία όσο και το Διαδίκτυο έχουν γνωρίσει τρομακτική εξάπλωση παγκοσμίως. Η ανάγκη του ανθρώπου για κινητικότητα από τη μια, και η ανάγκη για πρόσβαση σε πληροφορία και υπηρεσίες από την άλλη, οδήγησε στη σύγκλιση των δυο παραπάνω «κόσμων» μέσα από τα Κινητά Δίκτυα 3ης Γενιάς. Το δίκτυο UMTS, οδηγείται προς τη φιλοσοφία ενός all-IP δικτύου, που επιτρέπει πρόσβαση υψηλών ταχυτήτων στο Διαδίκτυο. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται αναλυτικά η αρχιτεκτονική και λειτουργική δομή του UMTS δίκτυο, ξεκινώντας από τα γενικά χαρακτηριστικά του, σε ότι αφορά το χρησιμοποιούμενο φάσμα, την αξιοποίηση του διατιθέμενου εύρους ζώνης και τη δομή των κυψελών του UMTS. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική του δικτύου, με αναφορά στον εξοπλισμό του χρήστη, το Δίκτυο Επίγειας Ασύρματης Πρόσβασης (UTRAN) και το Δίκτυο Κορμού (Core Network), ενώ παρουσιάζονται και τα πρωτόκολλα σηματοδοσίας και επιπέδου χρήστη εντός του UMTS. Στη συνέχεια η εργασία ασχολείται με το θέμα της παροχής Ποιότητας Υπηρεσίας (Quality of Service – QoS) στο δίκτυο UMTS. Παρουσιάζονται οι τάξεις QoS και τα χαρακτηριστικά τους στο UMTS, και οι παράμετροι που αυτές παίρνουν για συγκεκριμένες υπηρεσίες (φωνή, video, εφαρμογές ροής πολυμέσων κτλ.). Παράλληλα με την Ποιότητα Υπηρεσίας, παρουσιάζεται και η υπηρεσία MBMS (Multimedia Broadcast / Multicast Service) που έχει σχεδιαστεί για το UMTS δίκτυο και αναλύεται η δομή και ο τρόπος υλοποίησης των λειτουργιών της, οι διαδικασίες υπηρεσιών MBMS, οι παράμετροι που αυτή παίρνει και γίνεται και ανάλυση των επιμέρους λειτουργιών της. Το δεύτερο μέρος της εργασίας αφορά την πειραματική αξιολόγηση του δικτύου UMTS στον εξομοιωτή ns-2, σε ότι αφορά τη μετάδοση διαφορετικών ειδών κίνησης και την αποτελεσματικότητα των διαφορετικών πρωτοκόλλων. Αρχικά περιγράφεται ο τρόπος παραγωγής κίνησης για τον εξομοιωτή και των μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν προς την κατεύθυνση αυτή. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των πειραμάτων για την απόδοση του πρωτοκόλλου TCP πάνω από το δίκτυο UMTS, και παρουσιάζονται τα προβλήματα που προκύπτουν στη χρήση του πρωτοκόλλου αυτού, κυρίως λόγο του υψηλού bit error rate που παρουσιάζεται στο ασύρματο κανάλι. Μελετώνται σενάρια χρήσης που χρησιμοποιούν τόσο UMTS DCH (Dedicated Channels), όσο και HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) μεταδόσεις. Με σκοπό τη μελέτη της μετάδοσης και πολυμεσικού περιεχομένου πάνω από το UMTS, έγιναν αντίστοιχα πειράματα στον εξομοιωτή και διαπιστώθηκε η δυνατότητα του UMTS να εγγυηθεί τις διαφορετικές απαιτήσεις αυτού του είδους κίνησης (κυρίως σε ότι αφορά την καθυστέρηση των πακέτων) και τη «φιλική» προς το TCP πρωτόκολλο συνύπαρξη στο δίκτυο. Τέλος, στη διπλωματική αυτή εργασία προτείνεται ένα σχήμα, για την ανάπτυξη ενός συστήματος μετάδοσης πολυμεσικού περιεχομένου πάνω από UMTS, το οποίο λαμβάνει υπόψη του την τρέχουσα κατάσταση του δικτύου και προσαρμόζει τη ροή των πολυμεσικών δεδομένων σε αυτή. / The purpose of this dissertation is to study data transmission using Third Generation (3G) Mobile Networks and in particular using the Universal Mobile Telecommunications Systems (UMTS) network. Over the last decade, Cellular Mobile Telephony and Internet have spread rapidly worldwide. The need for mobility on the one side and on the other side the need for access to information and services, led to the convergence of the two worlds using Third Generation Mobile Networks. The UMTS network is slowly becoming an all-IP network that allows high speed data Internet connection. This dissertation discusses the UMTS network’s architectural and functional framework starting from the general characteristics of the available bandwidth and the UMTS cells’ structure. The architectural design of the network is presented next with respect to the user’s equipment, the Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) and the Core Network, followed by the signaling protocol and the user level within UMTS. After that, the dissertation covers Quality of Service (QoS) issues while using the UMTS network. The two QoS groups are presented along with their UMTS characteristics, and certain parameters for specific services (such as voice, video, multimedia streaming applications, etc.). In addition, the Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) is discussed. MBMS is a service designed for the UMTS network and the procedure and services of its functionality are being analysed. The second part of this dissertation deals with the experimental evaluation of the UMTS network in the ns-2 simulator, regarding the transmission of different types of traffic and the efficiency of the different protocols. The method of the traffic generation is being discussed at first, along with the implemented modules. Following that, the results from the experiments on TCP protocol performance over the UMTS air interface are being presented and some issues that raise up due to the high bit error rate that occur in the wireless channel are being discussed. In this case, we study the performance of both UMTS Dedicated Channels (DCH) and the High Speed Downlink Packet Access) transmissions. In order to study the transmission of multimedia content over the UMTS, some experiments took place, and showed that UMTS is able of guaranteeing the different requirements of this type of traffic, especially regarding the packets’ time delays and the friendly behavior against the TCP protocol, when coexisting in the network traffic load. Finally, this dissertation proposes a scheme for developing a multimedia content transmission system over UMTS, which takes into consideration the current state of the network and adapts the multimedia data stream to these conditions.

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.

Στην εργασία παρουσιάζεται η μελέτη, η πιστοποίηση και η εφαρμογή των μηχανισμών εκείνων που οδηγούν στην παροχή end-to-end QoS σε ενοποιημένα L2 και MPLS δίκτυα. / In a real IP network such as the Internet, the basic type of service offered is the best effort one. In the best effort service all packets are treated equally and there are no guarantees, variations or attempt to enforce justice. However, the network seeks to promote as much traffic as possible with “reasonable” quality. Network congestion is a frequent phenomenon that is introduced when a network device stores packets at the output queue as it receives more packets from those that it can transmit. During congestion packets suffer from delay and once the output queue becomes full, these packets are dropped. However, there are applications that require certain guarantees (especially regarding delay and packet drops) such as real-time data transmission applications (e.g. IP telephony, voice over IP) and videoconference. Quality guarantees for these applications can be ensured if they can cross empty or nearempty network queues. This can only be achieved through mechanisms that can ensure the capacity and availability of the network queues. A means to provide quality guarantees to certain types of traffic is the special management of certain packets compared to the other. At this point the term Quality of Service (QoS) is introduced. A definition for QoS is: "the ability of a network element to provide a level of guarantee to a subset of traffic that ensures that the requirements of the service can be achieved with a defined (high) probability". In reality, the mechanisms of QoS do not provide larger network capacity or something similar, but they rather provide better network management so that it can be used more effectively and it can meet and address the requirements of the applications. In recent years, efforts have focused on providing quality of service at the network layer (Layer 3) so that it can be also applied on the Internet. Using architectures such as IntServ and DiffServ it is now possible to provide quality service at the network layer. However, the requirement for end-to-end QoS along with the expansion of networks towards switching equipment, creates the need for the application of QoS in the next lower layer, that is the data link layer (Layer 2). Hence, it should be borne in mind that the interoperability between the network and data link layers will lead to the provision of a single, transparent level of QoS. Based on the above, it becomes clear that in order to achieve end-to-end QoS, apart from the need for extension of the QoS to the data link layer there is also the need and requirement of interoperability with existing implementations in the network layer. In this direction, this dissertation focuses on studying the application of QoS to the data link layer. Furthermore, given the provision of quality of service to the IP layer, this dissertation considers the integration of QoS provision at Layer 2 and Layer 3. Therefore, the objective of this dissertation is twofold: a) QoS provision over Layer2-Ethernet networks and b) QoS provision over Layer 2 VPNs. For the implementation of Layer 2 QoS over Ethernet networks the IEEE 802.1p standard has been proposed. This standard has 3 bits length and is part of Tag Control Information field. During this dissertation performance tests were carried out on switches sorting traffic under CoS, which results in 8 different classes of traffic. Furthermore, queue configuration techniques on switches have been studied along with the cases of per port/per 802 .1q priorities and traffic classification. For the implementation of L2 QoS over VPNs there are techniques that are strongly related to the VPN type. This dissertation presents cases that L2 MPLS VPNs are used for the provisioning of either point-to-point (EoMPLS) or point-tomultipoint (VPLS) VPNs. In addition, research has been carried out for the extension of QoS provision over L2 MPLS VPNs to end-points that is purely L2 domain. The analysis at L2 domain was realized with the IEEE 802.1 p standard. Furthermore, the ability to provide QoS over multipoint L2 VPNs has been studied. Initially, the focus was on L3 devices (routers) and it was then extended to L2 using IEEE 802.1 p. Thus, the overall implementation was based on the combined use of 802.1p, DSCP and MPLS EXP. In addition, this dissertation presents methods, techniques and configurations of switches and routers that allow for the expansion of QoS from the network layer at a lower layer, thereby providing a consistent QoS level both at Layer 3 and Layer 2. Finally, the automated delivery/provision of these services in a real production network, GRNET, is presented. More specifically, the modeling of L2 QoS-enabled switches is described along with the automated configuration production for providing integrated QoS and issues related to the discovery, mapping and monitoring of QoS in switches using the SNMP protocol. The effectiveness of Layer 2 QoS mechanisms was tested and reinforced with experiments, which were conducted small scale at first in the lab and in the department of the University and then moved on to large scale at the production network of GRNET. The experiments showed that regardless of the expansion of a network towards Layer 2 devices, it is feasible to provide a unified QoS framework. All the above resulted in the provisioning of end-to-end QoS services at GRNET’s network.

- / -

- / -

Η δημοφιλής τάση για ασύρματη επικοινωνία συμβολίζει την ανάγκη μας για ανεξαρτησία και ευελιξία. Σε συνδυασμό με την έμφυτη ανάγκη του ανθρώπου για επικοινωνία, ανταλλαγή σκέψεων και εμπειριών, η τάση αυτή περιλαμβάνει τα τελευταία χρόνια την απαίτηση για ασύρματα πολυμέσα. Η ασύρματη επικοινωνία πολυμέσων έχει τη δυνατότητα να αλλάξει πολλές από τις παραμέτρους της καθημερινότητάς μας. Η πληθώρα των εφαρμογών που προσφέρονται περιορίζεται μόνο από τη δυνατότητα του ασύρματου καναλιού να διαθέσει πόρους, ενέργεια και χρόνο. Η χωρητικότητα του ασύρματου διαύλου επικοινωνίας είναι το κλειδί και η έρευνα εστιάζει στη βελτιστοποίηση της μετάδοσης εφαρμογών ροής βίντεο, αξιοποιώντας όσο το δυνατόν καλύτερα το ασύρματο κανάλι. Στα πλαίσια της διατριβής προτείνεται μια νέα αναλυτική μέθοδος δημιουργίας συνθετικών βίντεο ροών MPEG-4 που μεταδίδονται σε ένα ετερογενές ασύρματο περιβάλλον. Η κίνηση που δημιουργούν πολλαπλές ροές βίντεο μοντελοποιείται από μια αλυσίδα Μαρκόφ δύο διαστάσεων. Προκειμένου να διατηρηθεί η ποιότητα παρεχόμενης υπηρεσίας, προτείνεται ένας μηχανισμός μεταγωγής των ροών βίντεο με βάση τις πιθανότητες μετάβασης καταστάσεων του μοντέλου. Επιπλέον, παρουσιάζεται ένα αναλυτικό μοντέλο εκτίμησης της αλλοίωσης της αντιλαμβανόμενης ποιότητας κωδικοποιημένου βίντεο Η.264/AVC. Το μοντέλο αυτό αξιοποιεί τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της κωδικοποίησης Η.264/AVC και ιδιαίτερα τις αλληλεξαρτήσεις μεταξύ των πλαισίων βίντεο, ώστε να εξασφαλίσει την ακριβή εκτίμηση της συνολικής αλλοίωσης. Η μελέτη περιλαμβάνει συνδυασμούς πιθανών σφαλμάτων στο ασύρματο κανάλι ώστε να αποδειχθεί η δυνατότητα εκτίμησης της αλλοίωσης από το προτεινόμενο μοντέλο σε κάθε συνθήκη του δικτύου. Στη συνέχεια, αναλύονται μηχανισμοί προγραμματισμού της μετάδοσης πακέτων βίντεο και διαφοροποίησης της σημαντικότητας των πακέτων με βάση τον αντίκτυπό τους στη συνολική αλλοίωση του βίντεο. Η σημασία κάθε πακέτου εκτιμάται από το προτεινόμενο μοντέλο εκτίμησης της αλλοίωσης. Εξασφαλίζεται, έτσι, η προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης του βίντεο στις διαφορετικές συνθήκες του δικτύου. Η αξιολόγηση του μοντέλου εκτίμησης επεκτείνεται ώστε να συμπεριλάβει το πρωτόκολλο 802.11e το οποίο διαθέτει μηχανισμούς διασφάλισης της ποιότητας υπηρεσίας. Τέλος, παρουσιάζονται αλγόριθμοι επιλογής βέλτιστων διαδρομών μεταξύ πηγής και παραλήπτη σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων πολυμέσων. Προτείνεται μια επέκταση του πρωτοκόλλου LEACH ώστε να είναι δυνατή η δρομολόγηση πακέτων βίντεο από πολλαπλές διαδρομές με στόχο τη μικρότερη δυνατή αλλοίωση της ποιότητας και την εξοικονόμηση ενέργειας στους κόμβους. / The popular trend for wireless communications marks our demand for freedom and flexibility. Recently, the inherent human need for communication and sharing of ideas and experiences has been enriched with the need for wireless multimedia. Wireless multimedia communications have the ability to alter several parameters of our daily life. The great variety of offered services is only limited by the available resources of the wireless medium. The key is the capacity of the wireless medium and this research focuses on optimizing the video traffic while fully utilizing the wireless channel. This thesis introduces a new analytical method of creating synthetic MPEG-4 video streams over heterogeneous wireless networks. The aggregate video traffic generated by multiple wireless video sources is modeled by a two-dimensional Marcov chain. In order to achieve a guaranteed quality of service, a handoff mechanism is proposed based on the state transition probabilities of the statistical model. Moreover, an analytical distortion prediction model for H264/AVC coded video is presented. In order to precisely estimate the received video distortion, the proposed model utilizes the inherent characteristics of H.264/AVC coding and in particular, the correlation among neighboring video frames. The distortion prediction model’s ability to estimate the received video distortion is studied under different channel conditions. Hence, complex combinations of errors due to the wireless channel are considered in this thesis. Moreover, an analysis of video packet scheduling algorithms and traffic differentiation schemes, based on the video packet’s impact to the overall video distortion, is included. The importance of each video packet is estimated by the proposed distortion prediction model. Therefore, the transmission rate of a video source can be adapted to the varying wireless channel conditions. The evaluation of the model has been extended in order to include the study of the 802.11e standard, which incorporates mechanisms for guaranteeing quality of service. Finally, the thesis proposes algorithms for optimised video multipath routing in wireless multimedia sensor networks. A proposed extension of the LEACH protocol is implemented that ensures multipath video packet routing. Thus, significantly improved received video distortion and power consumption in the wireless sensor nodes, is achieved.

Είναι γεγονός ότι, τα τελευταία χρόνια, η χρήση των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς έχει αρχίσει να επεκτείνεται. Οι υπηρεσίες που απευθύνονται σε ομάδες χρηστών θα αποτελέσουν μία νέα κατηγορία προηγμένων υπηρεσιών προς στους κινητούς χρήστες. Στα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα, η χρήση multicast μηχανισμών είναι αυτή που συνήθως ενδείκνυται για αυτή την κατηγορία υπηρεσιών. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς. Είναι προφανής η αύξηση της απόδοσης που προσφέρει το multicasting καθώς ελαχιστοποιεί τη χρήση των πόρων του δικτύου. Επομένως, η εφαρμογή του multicasting σε ένα κινητό δίκτυο έχει αρκετά διαφορετικά χαρακτηριστικά σε σχέση με την εφαρμογή του στο Internet. Κατά συνέπεια, δημιουργείται η ανάγκη για νέους μηχανισμούς οι οποίοι θα καλύψουν τις ιδιαιτερότητες των κινητών δικτύων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία προτείνεται ένας μηχανισμός που εκτελεί multicast μετάδοση δεδομένων στο σύστημα UMTS. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός εκμεταλλεύεται τη δενδρική τοπολογία των κινητών δικτύων και εισάγει τη χρήση των Routing Lists (RLs) στους κόμβους του UMTS. Η χρήση και η ενημέρωση των RLs γίνεται από τον προτεινόμενο μηχανισμό με τρόπο που παρουσιάζεται αναλυτικά. Επίσης, εξετάζονται διεξοδικά τα πιθανά σενάρια τα οποία περιλαμβάνουν όλες τις περιπτώσεις κινητικότητας των χρηστών. Ειδικότερα, εξετάζονται οι διάφοροι τύποι handover καθώς και η διαδικασία SRNS relocation. Τέλος, ο συγκεκριμένος μηχανισμός εξομοιώνεται στον network simulator ns-2. Μέσω της εξομοίωσης διερευνάται η ορθότητα του μηχανισμού καθώς και η αποδοτικότητά του. / It is a matter of fact that the third generation cellular networks are being deployed all over the world. A set of new services which will be provided by these networks, are those who address to user groups. Wireline networks use multicast mechanisms for the provision of similar services. A multicast mechanism transmits the same data once over each link of the path from the source to the destinations. Obviously, multicasting leads to the efficient use of the network resources. Nevertheless, the adoption of this kind of mechanisms by a mobile network is quite complicated and new schemes are required. In this master thesis, I present a mechanism for the multicast transmission of data in UMTS. This mechanism takes advantage of the tree topology of the examined networks and introduces the use of Routing Lists (RLs) in the nodes of UMTS. The use and the update of RLs are performed by the proposed mechanism and each step of these procedures is described in detail. Furthermore, I analyze the handling of special cases such as user mobility scenarios. Especially, the various handover types are examined along with the SRNS relocation procedure. Finally, I implement this approach in the ns-2 simulator. Through this simulation, I investigate the correctness and the efficiency of the proposed mechanism.

Η παρούσα εργασία διαπραγματεύεται το Σύστημα Παρουσίας και Στιγμιαίου Μηνύματος (Presence and Instant Messaging System) πάνω σε αρχιτεκτονικά πλαίσια που στηρίζονται στο πρωτόκολλο SIP, π.χ. το IMS. Σκοπός μας είναι μέσω της εφαρμογής που υλοποιούμε, να μπορεί ένας χρήστης να απολαμβάνει την υπηρεσία παρουσίας με τη βοήθεια γραπτού κειμένου (text). Στο Κεφάλαιο 1, δίνεται μια εισαγωγή σχετικά με τις έννοιες αλλά και τις οντότητες που πλαισιώνουν το μηχανισμό αυτό. Εν συνεχεία, παραθέτουμε την αρχιτεκτονική του συστήματος, δηλαδή τη γραφική διεπαφή, με την οποία ο χρήστης αλληλεπιδρά. Στο Κεφάλαιο 3, ακολουθεί λεπτομερής περιγραφή της υλοποίησης και δίνονται επεξηγήσεις για συγκεκριμένα σημεία του κώδικα. Στο κεφάλαιο 4, δύο χρήστες τρέχουν παράλληλα την εφαρμογή και παρουσιάζεται το σύστημα μας τόσο από τη μεριά των χρηστών όσο και από τη μεριά του εξυπηρετητή. Στο Κεφάλαιο 5, γίνεται αναφορά σε πολύπλοκα σενάρια και δίνονται περιγραφικές λύσεις που μπορούν να αποτελέσουν βάση για τον αναγνώστη εκείνο που επιθυμεί να διευρύνει περισσότερο τους ορίζοντές του στο συγκεκριμένο αντικείμενο. Τέλος, στο παράρτημα βρίσκεται ο πηγαίος κώδικας καθώς επίσης και τα αρχεία που χρειάστηκε να τροποποιήσουμε προκειμένου ο εξυπηρετητής να μας προσφέρει την αντίστοιχη υπηρεσία. / This thesis discusses the "Presence and Instant Messaging System" on an architectural framework based on the protocol SIP, eg IMS. Our goal is to implement an application that a typical user can interract with. This application provides this service using written text (text). Chapter 1 is an introduction to the concepts and entities in the specific area. Subsequently, we present the architecture of the system, ie the graphical interface of our application. In Chapter 3, we give a detailed description of the implementation plus explanations on specific parts of the code. In Chapter 4, two users run simultaneously our implementation.In Chapter 5, we refer to complex scenarios and we give solutions for them.Finally, in the Annex we attach the source code as well as the files that we had to modify for the server in order to offer us this service.