The overarching goal of this thesis is to investigate network architectures, and find the trade-off between low overall energy use and maintaining the level of quality of service (QoS), or even improve it. The ubiquitous wireless communications environment supports the exploration of different network architectures and techniques, the so-called heterogeneous network. Two kinds of heterogeneous architectures are considered: a combined cellular and femtocell network and a combined cellular, femtocell and Wireless Local Area Network(WLAN) network. This thesis concludes that the investigated heterogeneous networks can significantly reduce the overall power consumption, depending on the uptake of femtocells and WLANs. Also, QoS remains high when the power consumption drops. The main energy saving is from reducing the macrocell base station embodied and operational energy. When QoS is evaluated based on the combined cellular and femtocell architecture, it is suggested that use of resource scheduling for femtocells within the macrocell is crucial since femtocell performance is affected significantly by interference when installed in a co-channel system. Additionally, the femtocell transmission power mode is investigated using either variable power level or a fixed power level. To achieve both energy efficiency and QoS, the choice of system configurations should change according to the density of the femtocell deployment. When combining deployment of femtocells with WLANs, more users are able to experience a higher QoS. Due to increasing of data traffic and smartphone usage in the future, WLANs are more important for offloading data from the macrocell, reducing power consumption and also increasing the bandwidth. The localised heterogeneous network is a promising technique for achieving power efficiency and a high QoS system.

Approved for public release, distribution is unlimited / In this thesis, Voice over Internet Protocol (VoIP) technology will be explored and a recommendation of the operational benefit of VoIP will be provided. A network model will be used to demonstrate improvement of voice End-to-End delay by implementing quality of service (QoS) controls. An overview of VoIP requirements will be covered and recommended standards will be reviewed. A clear definition of a Battle Group will be presented and an overview of current analog RF voice technology will be explained. A comparison of RF voice technology and VoIP will modeled using OPNET Modeler 9.0. / Lieutenant, United States Navy

A demanda de eficiência no gerenciamento das redes aumenta atualmente devido ao rápido desenvolvimento da computação em nuvem e a implantação em grande escala de centros de dados. O controle da infraestrutura deve ser capaz de classificar os diversos tipos de tráfego para aplicações diferentes, e prover o atendimento adequado no menor tempo possível. Porém, devido ao dinamismo da rede, nem sempre podem ser garantidos os requisitos mínimos necessários na Internet. Os mecanismos propostos para a engenharia de tráfego até hoje, são baseados em arquiteturas inflexíveis com a camada de controle e dados fortemente integrados. Isto dificulta um atendimento diferenciado adaptável aos diversos padrões de tráfego das aplicações modernas. Para enfrentar os problemas de flexibilidade das redes tradicionais, as Redes Definidas por Software, apresentam um paradigma inovador que separa as camadas de controle e encaminhamento de pacotes de forma a garantir a utilização eficiente dos recursos disponíveis, e ao mesmo tempo maior flexibilidade de implementação. Este paradigma permite conhecer o estado da rede e a sua topologia em tempo real, o que faz possível a reconfiguração de rotas e alocação de recursos de forma dinâmica. Esta dissertação apresenta um framework para engenharia de tráfego em SDN que utiliza a teoria matemática Network Calculus como ferramenta para subsidiar a caracterização e o policiamento de fluxos de pacotes. Através desta teoria, as decisões de encaminhamento e a distribuição do tráfego são baseadas não só por valores obtidos monitorando a rede, como também por projeções determinísticas que descrevem o comportamento do tráfego. Os resultados obtidos nos experimentos, comprovaram a eficiência no balanceamento de carga da rede em termos de atraso, demonstrando ganhos em termos de vazão do sistema e possibilitando a diminuição da porcentagem de perda de pacotes dos fluxos trafegados. O framework proposto visa contribuir na solução dos desafios relacionados a se estabelecer Engenharia de Tráfego para SDN com a especificação de mecanismos de gerenciamento adaptáveis as mudanças topológicas da rede, as diferentes características dos fluxos e que sejam capazes de distribuir de forma equilibrada o tráfego na rede. / The demand for network management efficiency is currently boosted by the rapid development of cloud computing and the large-scale deployment of data centers. Infrastructure control should be able to classify the various types of traffic for different applications, and provide adequate service in the shortest time possible. However, due to the dynamism of the network, the necessary minimum requirements on the Internet can not always be guaranteed. The proposed mechanisms for traffic engineering to date are based on inflexible architectures with the control and data layer strongly integrated. This hinders a differentiated service adaptable to the different traffic patterns of modern applications. To address the flexibility problems of traditional networks, Software Defined Networks presents an innovative paradigm that separates packet control and datapath layers to ensure the ecient use of available resources while providing greater deployment flexibility. This paradigm allows to know the state of the network and its topology in real time, which makes it possible to reconfigure routes and allocate resources dynamically. This work presents a framework for SDN traffic engineering that uses the mathematical theory Network Calculus as a tool to subsidize the characterization and policing of packet flows. Through this theory, routing decisions and traffic distribution are based not only on values obtained by monitoring the network, but also on deterministic projections of traffic behavior. The results obtained in the experiments, proved the efficiency in the load balancing of the network based on flow delay, demonstrating gains in terms of total system throughput and enabling the reduction of the percentage of packet loss of the traffic flows. The framework proposed aims to contribute to the solution of the challenges related to establishing Traffic Engineering for SDN with specification of management mechanisms, adaptables to the topological changes of the network, the different characteristics of the flows and capable of distribute in a balanced way the traffic in the network.

Este trabalho apresenta um estudo, implementação e avaliação em ambiente real de um protótipo de servidor Web com diferenciação de serviços (SWDS) para provisão de QoS relativa em servidores Web. Para tanto foram considerados algoritmos de reserva de recursos e escalonamento baseado em prioridades para prover diferenciação entre as classes de serviço, além de mecanismos de controle de admissão a fim de controlar a carga no sistema. A meta é oferecer melhor tratamento para requisições de maior prioridade, sem prejudicar em excesso as requisições de prioridade menor. Foi observado que os algoritmos de reserva de recursos (RSV e RSVadap) são eficientes para prover diferenciação entre as classes consideradas, no entanto seus desempenhos não foram satisfatórios em alguns casos, tanto devido a arquitetura em que foram implementados, como por motivos inerentes à própria natureza do algoritmo. O algoritmo de escalonamento baseado em prioridades considerado (PriProcess), mostrou-se eficiente tanto no sentido de prover diferenciação de serviços entre as classes, como na questão de desempenho, com a classe de maior prioridade sempre sendo melhor atendida em relação à classe de menor prioridade. Também foi alvo do estudo a criação de um mecanismo de controle de admissão com diferenciação de serviços. Os resultados alcançados sinalizam uma melhora em termos de tempos de respostas e número de requisições completadas para a classe de maior prioridade / This work presents a study, implementation and evaluation in real environment of a Web server architecture with service differentiation (SWDS) for provision of relative QoS in Web servers. Algorithms of resources reservation and scheduling based on priorities were considered to provide service differentiation among the request classes, besides implementation of a mechanism for admission control in order to control the load in the system. The goal is to offer better treatment for higher priority requests without harming in excess lower priority ones. It was observed that the algorithms for resource reservation (RSV and RSVapap) are efficient to provide differentiation among the considered classes, however their performance was not satisfactory in some cases, due to both, the archtectures through which they were implemented and the specific features of the algorithm nature. The considered scheduling algorithm based on priorities (PriProcess) was efficient both in the sense of providing service differentiation among the classes and with regards to performance, with the higher priority class always being better served than the lower priority one. It was also studied the creation of a mechanism for admission control with service differentiation. The achieved results show an improvement in terms of response times and the number of completed requests for the higher priority class

Este trabalho apresenta um estudo, implementação e avaliação em ambiente real de um protótipo de servidor Web com diferenciação de serviços (SWDS) para provisão de QoS relativa em servidores Web. Para tanto foram considerados algoritmos de reserva de recursos e escalonamento baseado em prioridades para prover diferenciação entre as classes de serviço, além de mecanismos de controle de admissão a fim de controlar a carga no sistema. A meta é oferecer melhor tratamento para requisições de maior prioridade, sem prejudicar em excesso as requisições de prioridade menor. Foi observado que os algoritmos de reserva de recursos (RSV e RSVadap) são eficientes para prover diferenciação entre as classes consideradas, no entanto seus desempenhos não foram satisfatórios em alguns casos, tanto devido a arquitetura em que foram implementados, como por motivos inerentes à própria natureza do algoritmo. O algoritmo de escalonamento baseado em prioridades considerado (PriProcess), mostrou-se eficiente tanto no sentido de prover diferenciação de serviços entre as classes, como na questão de desempenho, com a classe de maior prioridade sempre sendo melhor atendida em relação à classe de menor prioridade. Também foi alvo do estudo a criação de um mecanismo de controle de admissão com diferenciação de serviços. Os resultados alcançados sinalizam uma melhora em termos de tempos de respostas e número de requisições completadas para a classe de maior prioridade / This work presents a study, implementation and evaluation in real environment of a Web server architecture with service differentiation (SWDS) for provision of relative QoS in Web servers. Algorithms of resources reservation and scheduling based on priorities were considered to provide service differentiation among the request classes, besides implementation of a mechanism for admission control in order to control the load in the system. The goal is to offer better treatment for higher priority requests without harming in excess lower priority ones. It was observed that the algorithms for resource reservation (RSV and RSVapap) are efficient to provide differentiation among the considered classes, however their performance was not satisfactory in some cases, due to both, the archtectures through which they were implemented and the specific features of the algorithm nature. The considered scheduling algorithm based on priorities (PriProcess) was efficient both in the sense of providing service differentiation among the classes and with regards to performance, with the higher priority class always being better served than the lower priority one. It was also studied the creation of a mechanism for admission control with service differentiation. The achieved results show an improvement in terms of response times and the number of completed requests for the higher priority class

" IEEE 802.11 wireless access points (APs) act as the central communication hub inside homes, connecting all networked devices to the Internet. Home users run a variety of network applications with diverse Quality-of-Service requirements (QoS) through their APs. However, wireless APs are often the bottleneck in residential networks as broadband connection speeds keep increasing. Because of the lack of QoS support and complicated configuration procedures in most off-the-shelf APs, users can experience QoS degradation with their wireless networks, especially when multiple applications are running concurrently. This dissertation presents CATNAP, Classification And Treatment iN an AP , to provide better QoS support for various applications over residential wireless networks, especially timely delivery for real-time applications and high throughput for download-based applications. CATNAP consists of three major components: supporting functions, classifiers, and treatment modules. The supporting functions collect necessary flow level statistics and feed it into the CATNAP classifiers. Then, the CATNAP classifiers categorize flows along three-dimensions: response-based/non-response-based, interactive/non-interactive, and greedy/non-greedy. Each CATNAP traffic category can be directly mapped to one of the following treatments: push/delay, limited advertised window size/drop, and reserve bandwidth. Based on the classification results, the CATNAP treatment module automatically applies the treatment policy to provide better QoS support. CATNAP is implemented with the NS network simulator, and evaluated against DropTail and Strict Priority Queue (SPQ) under various network and traffic conditions. In most simulation cases, CATNAP provides better QoS supports than DropTail: it lowers queuing delay for multimedia applications such as VoIP, games and video, fairly treats FTP flows with various round trip times, and is even functional when misbehaving UDP traffic is present. Unlike current QoS methods, CATNAP is a plug-and-play solution, automatically classifying and treating flows without any user configuration, or any modification to end hosts or applications. "

The Internet, traditionally FTP, e-mail and Web traffic, is increasingly supporting emerging applications such as IP telephony, video conferencing and online games. These new genres of applications have different requirements in terms of throughput and delay than traditional applications. For example, interactive multimedia applications, unlike traditional applications, have more stringent delay constraints and less stringent loss constraints. Unfortunately, the current Internet offers a monolithic best-effort service to all applications without considering their specific requirements. Adaptive RED (ARED) is an Active Queue Management (AQM) technique, which optimizes the router for throughput. Throughput optimization provides acceptable QoS for traditional throughput sensitive applications, but is unfair for these new delay sensitive applications. While previous work has used different classes of QoS at the router to accommodate applications with varying requirements, thus far all have provided just 2 or 3 classes of service for applications to choose from. We propose two AQM mechanisms to optimize router for better overall QoS. Our first mechanism, RED-Worcester, is a simple extension to ARED in order to tune ARED for better average QoS support. Our second mechanism, REDBoston, further extends RED-Worcester to improve the QoS for all flows. Unlike earlier approaches, we do not predefine classes of service, but instead provide a continuum from which applications can choose. We evaluate our approach using NS-2 and present results showing the amount of improvement in QoS achieved by our mechanisms over ARED.

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:37:19Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo5321_1.pdf: 5149979 bytes, checksum: 5024e80a3c898e8ef33f4fea465f7318 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2008 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / As redes de telefonia IP popularizaram-se nos últimos anos sobretudo por seu baixo custo e facilidade de utilização. Transmitir voz na forma de pacotes IP favorece o desenvolvimento de uma rede integrada, na qual diversos tipos de dados e mídia trafegam segundo um padrão único, que uniformize os sistemas de telecomunicações (Convergência IP). As redes sobrepostas par-a-par são parcial ou totalmente independentes de qualquer servidor centralizado, possuem alta escalabilidade e fornecem meios para que a comunicação atravesse obstáculos impostos por NATs e firewalls. Tais redes oferecem aos pacotes uma maior flexibilidade de roteamento, permitindo que novas estratégias sejam utilizadas no encaminhamento dos pacotes. Essas estratégias proporcionam uma melhor qualidade de voz ao usuário, principalmente durante falhas e congestionamentos. Nesta dissertação são estudados os sistemas de comunicação de voz sobre IP (VoIP) arquitetados em topologias par-a-par sobrepostas. Aspectos de codificação, sinalização, roteamento e tráfego, bem como os protocolos envolvidos em tais sistemas são descritos. Alternativas para obter uma melhor qualidade de voz através do uso dessa configuração são analisadas. Como contribuições dessa dissertação, é realizada uma análise comparativa entre sistemas VoIP e apresentada uma nova forma quantitativa de medição da QoS (Qualidade de Serviço) baseada na correlação entre os sinais transmitidos e recebidos

A crescente disponibilizaÃÃo de serviÃos atravÃs da Internet vem impondo uma demanda cada vez maior por recursos de processamento no lado servidor favorecendo a utilizaÃÃo dos Clusters de Computadores e das Grades Computacionais. Em paralelo, a engenharia de software traz novos paradigmas, como a OrientaÃÃo a ServiÃos, que impÃem novos desafios a serem tratados pelos fornecedores de serviÃos. A convergÃncia destes fatores deu origem as Arquiteturas de Grades Computacionais Orientadas a ServiÃos. Neste trabalho à apresentada uma proposta de arquitetura em grades computacionais orientada a serviÃos, denominada GDSAC (Grid â DiffServ Admission Control), que trata de aspectos ligados à QoS (Quality of Service) e a diferenciaÃÃo de serviÃos. A arquitetura G-DSAC à uma extensÃo da arquitetura WS-DSAC (Web Servers â DiffServ AdmissionControl). Està extensÃo compreende a concepÃÃo de uma soluÃÃo voltada para grades computacionais que à capaz de garantir os SLAs (Service Level Agreements) estabelecidos com os consumidores de serviÃos utilizando de forma otimizada os recursos de processamento disponibilizados na grade. A soluÃÃo permite ainda a diferenciaÃÃo de serviÃos no que diz respeito aos tempos de resposta oferecidos aos clientes, usuÃrios finais e serviÃos consumidores. A nova arquitetura introduz um bloco de funcionalidades em uma plataforma de grade computacional orientada a serviÃos formada por multclusters. Esse bloco permite a publicaÃÃo e localizaÃÃo de serviÃos, autenticaÃÃo e classificaÃÃo de requisiÃÃes e o escalonamento das mesmas dentro da grade de acordo com a classe de serviÃo a qual pertencem. Foi tambÃm implementado um protÃtipo que permitiu a realizaÃÃo de experimentos em uma plataforma real de testes visando avaliar a capacidade da soluÃÃo em atingir os objetivos por ela proposto

A demanda de eficiência no gerenciamento das redes aumenta atualmente devido ao rápido desenvolvimento da computação em nuvem e a implantação em grande escala de centros de dados. O controle da infraestrutura deve ser capaz de classificar os diversos tipos de tráfego para aplicações diferentes, e prover o atendimento adequado no menor tempo possível. Porém, devido ao dinamismo da rede, nem sempre podem ser garantidos os requisitos mínimos necessários na Internet. Os mecanismos propostos para a engenharia de tráfego até hoje, são baseados em arquiteturas inflexíveis com a camada de controle e dados fortemente integrados. Isto dificulta um atendimento diferenciado adaptável aos diversos padrões de tráfego das aplicações modernas. Para enfrentar os problemas de flexibilidade das redes tradicionais, as Redes Definidas por Software, apresentam um paradigma inovador que separa as camadas de controle e encaminhamento de pacotes de forma a garantir a utilização eficiente dos recursos disponíveis, e ao mesmo tempo maior flexibilidade de implementação. Este paradigma permite conhecer o estado da rede e a sua topologia em tempo real, o que faz possível a reconfiguração de rotas e alocação de recursos de forma dinâmica. Esta dissertação apresenta um framework para engenharia de tráfego em SDN que utiliza a teoria matemática Network Calculus como ferramenta para subsidiar a caracterização e o policiamento de fluxos de pacotes. Através desta teoria, as decisões de encaminhamento e a distribuição do tráfego são baseadas não só por valores obtidos monitorando a rede, como também por projeções determinísticas que descrevem o comportamento do tráfego. Os resultados obtidos nos experimentos, comprovaram a eficiência no balanceamento de carga da rede em termos de atraso, demonstrando ganhos em termos de vazão do sistema e possibilitando a diminuição da porcentagem de perda de pacotes dos fluxos trafegados. O framework proposto visa contribuir na solução dos desafios relacionados a se estabelecer Engenharia de Tráfego para SDN com a especificação de mecanismos de gerenciamento adaptáveis as mudanças topológicas da rede, as diferentes características dos fluxos e que sejam capazes de distribuir de forma equilibrada o tráfego na rede. / The demand for network management efficiency is currently boosted by the rapid development of cloud computing and the large-scale deployment of data centers. Infrastructure control should be able to classify the various types of traffic for different applications, and provide adequate service in the shortest time possible. However, due to the dynamism of the network, the necessary minimum requirements on the Internet can not always be guaranteed. The proposed mechanisms for traffic engineering to date are based on inflexible architectures with the control and data layer strongly integrated. This hinders a differentiated service adaptable to the different traffic patterns of modern applications. To address the flexibility problems of traditional networks, Software Defined Networks presents an innovative paradigm that separates packet control and datapath layers to ensure the ecient use of available resources while providing greater deployment flexibility. This paradigm allows to know the state of the network and its topology in real time, which makes it possible to reconfigure routes and allocate resources dynamically. This work presents a framework for SDN traffic engineering that uses the mathematical theory Network Calculus as a tool to subsidize the characterization and policing of packet flows. Through this theory, routing decisions and traffic distribution are based not only on values obtained by monitoring the network, but also on deterministic projections of traffic behavior. The results obtained in the experiments, proved the efficiency in the load balancing of the network based on flow delay, demonstrating gains in terms of total system throughput and enabling the reduction of the percentage of packet loss of the traffic flows. The framework proposed aims to contribute to the solution of the challenges related to establishing Traffic Engineering for SDN with specification of management mechanisms, adaptables to the topological changes of the network, the different characteristics of the flows and capable of distribute in a balanced way the traffic in the network.