The Software Defined Networking (SDN) paradigm offers network operators numerous improvements in terms of flexibility, scalability, as well as cost efficiency and vendor independence. However, in order to maximize the benefit from these features, several new challenges in areas such as management and orchestration need to be addressed. This dissertation makes contributions towards three key topics from these areas. Firstly, we design, implement, and evaluate two multi-objective heuristics for the SDN controller placement problem. Secondly, we develop and apply mechanisms for automated decision making based on the Pareto frontiers that are returned by the multi-objective optimizers. Finally, we investigate and quantify the performance benefits for the SDN control plane that can be achieved by integrating information from external entities such as Network Management Systems (NMSs) into the control loop. Our evaluation results demonstrate the impact of optimizing various parameters of softwarized networks at different levels and are used to derive guidelines for an efficient operation. / Heutige Kommunikationsnetze müssen ein breites Spektrum an Applikationen mit sehr heterogenen Anforderungen unterstützen sowie mit einer kontinuierlich steigenden Anzahl an Nutzern und Endgeräten skalieren. Softwarisierte Netze, welche sich insbesondere durch Paradigmen wie Software Defined Networking (SDN) und Network Functions Virtualization (NFV) kennzeichnen, zielen auf eine Erhöhung der Flexibilität und Skalierbarkeit ab, um diesen Anforderungen auch in Zukunft gerecht zu werden. Um jedoch in vollem Umfang von den Vorteilen dieser Paradigmen zu profitieren, müssen neue Fragestellungen adressiert werden. Diese umfassen insbesondere die Platzierung neuer Entitäten im Netz sowie deren Integration in bestehende Architekturen und ihre Interaktion mit vorhandenen Komponenten. In dieser Dissertation werden Optimierungsverfahren entwickelt und bewertet, welche zu verschiedenen Zeitpunkten im Lebenszyklus softwarisierter Netze eingesetzt werden und ihre Performanz sowie Automatisierbarkeit steigern. Diese umfassen Verfahren für das Platzieren von Kontrollentitäten in SDN-basierten Netzen, welche eine effiziente Dimensionierung während der Planungsphase ermöglichen. Zudem werden diese Verfahren um Mechanismen erweitert, welche eine automatisierte Anpassung an dynamische Veränderungen ermöglichen und somit die Effizienz des Netzes aufrechterhalten. Zuletzt wird die Integration von Daten aus externen Informationsquellen wie Netzmanagementsystemen in SDN-Komponenten untersucht, um deren Entscheidungen und somit die Performanz im gesamten Netz zu optimieren.

Diss. no. 13564 techn. sc. SFIT Zurich. / Im Buchh.: Aachen : Shaker. Literaturverz.

In today's Internet, building overlay structures to provide a service is becoming more and more common. This approach allows for the utilization of client resources, thus being more scalable than a client-server model in this respect. However, in these architectures the quality of the provided service depends on the clients and is therefore more complex to manage. Resource utilization, both at the clients themselves and in the underlying network, determine the efficiency of the overlay application. Here, a trade-off exists between the resource providers and the end users that can be tuned via overlay mechanisms. Thus, resource management and traffic management is always quality-of-service management as well. In this monograph, the three currently significant and most widely used overlay types in the Internet are considered. These overlays are implemented in popular applications which only recently have gained importance. Thus, these overlay networks still face real-world technical challenges which are of high practical relevance. We identify the specific issues for each of the considered overlays, and show how their optimization affects the trade-offs between resource efficiency and service quality. Thus, we supply new insights and system knowledge that is not provided by previous work. / Im heutigen Internet werden immer häufiger Overlay-Strukturen aufgebaut, um eine Dienstleistung zu erbringen. Dieser Ansatz ermöglicht die Nutzung von Client-Ressourcen, so dass er in dieser Hinsicht besser skaliert als das Client-Server-Modell. Die Qualität des zur Verfügung gestellten Dienstes hängt nun aber von den Clients ab und ist daher komplizierter zu steuern. Die Ressourcennutzung, sowohl auf den Clients selbst als auch in dem zugrunde liegenden Netzwerk, bestimmt die Effizienz der Overlay-Anwendung. Hier existiert ein Trade-off zwischen Ressourcen-Anbietern und Endkunden, der über Overlay-Mechanismen geregelt werden kann. Daher ist Ressourcenmanagement und Traffic-Management gleichzeitig immer auch Quality-of-Service-Management. In dieser Arbeit werden die drei derzeit am weitesten im Internet verbreiteten und signifikanten Overlay-Typen berücksichtigt. Diese Overlays sind in populären Anwendungen, die erst vor kurzem an Bedeutung gewonnen haben, implementiert. Daher sind diese Overlay-Netze nach wie vor realen technischen Herausforderungen ausgesetzt, die von hoher praktischer Relevanz sind. Die spezifischen Herausforderungen für jedes der betrachteten Overlays werden identifiziert und es wird gezeigt, wie deren Optimierung den Trade-off zwischen Ressourceneffizienz und Service-Qualität beeinflusst. So werden neue Einsichten und Erkenntnisse über diese Systeme gewonnen, die in früheren Arbeiten nicht existieren.

The focus of this work lies on the communication issues of Medium Access Control (MAC) and routing protocols in the context of WSNs. The communication challenges in these networks mainly result from high node density, low bandwidth, low energy constraints and the hardware limitations in terms of memory, computational power and sensing capabilities of low-power transceivers. For this reason, the structure of WSNs is always kept as simple as possible to minimize the impact of communication issues. Thus, the majority of WSNs apply a simple one hop star topology since multi-hop communication has high demands on the routing protocol since it increases the bandwidth requirements of the network. Moreover, medium access becomes a challenging problem due to the fact that low-power transceivers are very limited in their sensing capabilities. The first contribution is represented by the Backoff Preamble-based MAC Protocol with Sequential Contention Resolution (BPS-MAC) which is designed to overcome the limitations of low-power transceivers. Two communication issues, namely the Clear Channel Assessment (CCA) delay and the turnaround time, are directly addressed by the protocol. The CCA delay represents the period of time which is required by the transceiver to detect a busy radio channel while the turnaround time specifies the period of time which is required to switch between receive and transmit mode. Standard Carrier Sense Multiple Access (CSMA) protocols do not achieve high performance in terms of packet loss if the traffic is highly correlated due to the fact that the transceiver is not able to sense the medium during the switching phase. Therefore, a node may start to transmit data while another node is already transmitting since it has sensed an idle medium right before it started to switch its transceiver from receive to transmit mode. The BPS-MAC protocol uses a new sequential preamble-based medium access strategy which can be adapted to the hardware capabilities of the transceivers. The protocol achieves a very low packet loss rate even in wireless networks with high node density and event-driven traffic without the need of synchronization. This makes the protocol attractive to applications such as structural health monitoring, where event suppression is not an option. Moreover, acknowledgments or complex retransmission strategies become almost unnecessary since the sequential preamble-based contention resolution mechanism minimizes the collision probability. However, packets can still be lost as a consequence of interference or other issues which affect signal propagation. The second contribution consists of a new routing protocol which is able to quickly detect topology changes without generating a large amount of overhead. The key characteristics of the Statistic-Based Routing (SBR) protocol are high end-to-end reliability (in fixed and mobile networks), load balancing capabilities, a smooth continuous routing metric, quick adaptation to changing network conditions, low processing and memory requirements, low overhead, support of unidirectional links and simplicity. The protocol can establish routes in a hybrid or a proactive mode and uses an adaptive continuous routing metric which makes it very flexible in terms of scalability while maintaining stable routes. The hybrid mode is optimized for low-power WSNs since routes are only established on demand. The difference of the hybrid mode to reactive routing strategies is that routing messages are periodically transmitted to maintain already established routes. However, the protocol stops the transmission of routing messages if no data packets are transmitted for a certain time period in order to minimize the routing overhead and the energy consumption. The proactive mode is designed for high data rate networks which have less energy constraints. In this mode, the protocol periodically transmits routing messages to establish routes in a proactive way even in the absence of data traffic. Thus, nodes in the network can immediately transmit data since the route to the destination is already established in advance. In addition, a new delay-based routing message forwarding strategy is introduced. The forwarding strategy is part of SBR but can also be applied to many routing protocols in order to modify the established topology. The strategy can be used, e.g. in mobile networks, to decrease the packet loss by deferring routing messages with respect to the neighbor change rate. Thus, nodes with a stable neighborhood forward messages faster than nodes within a fast changing neighborhood. As a result, routes are established through nodes with correlated movement which results in fewer topology changes due to higher link durations. / Im Rahmen dieser Arbeit werden leistungsbeschränkende Faktoren von Medium Access Control (MAC) und Routingprotokollen im Kontext von drahtlosen Sensornetzen untersucht. Zunächst werden typische Probleme des Funkkanals diskutiert. Anschließend führen eine Einteilung von MAC Protokollen, sowie eine Gegenüberstellung relevanter Protokolle in die Thematik ein. Daraufhin werden hardwarelimitierende Faktoren und deren Auswirkung auf die Effizienz von Kanalzugriffsprotokollen untersucht. Des Weiteren wird das vom Autor entwickelte Backoff Preamble-based MAC Protokoll (BPS-MAC) vorgestellt, welches auf die limitierten Fähigkeiten sensortypischer Hardware eingeht und für dichte Sensornetze mit korreliertem Datenverkehr optimiert ist. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit stellt das Thema Routing dar. Hier wird ebenfalls mit einer Einteilung der Protokolle in die Thematik eingeführt. Darüber hinaus werden die wichtigsten Aufgaben von Routingprotokollen vorgestellt. Ein Überblick über häufig verwendete Routingmetriken und Routingprotokolle schließen die Einführung in diesen Themenkomplex ab. Abschließend wird das im Rahmen der Dissertation entwickelte Statistic-Based-Routing (SBR) Protokoll vorgestellt, welches ebenfalls für drahtlose Sensornetze optimiert ist. Der letzte Schwerpunkt beschreibt die Problematik der Leistungsbewertung von Routingprotokollen hinsichtlich klassischer Leistungsparameter wie Paketverlust und Verzögerung. Ebenfalls werden weitere Leistungsparameter wie zum Beispiel die vom Nutzer wahrgenommene Netzqualität genauer untersucht.

While developing modern applications, it is necessary to ensure an efficient and performant communication between different applications. In current environments, a middleware software is used, which supports the publish/subscribe communication pattern. Using this communication pattern, a publisher sends information encapsulated in messages to the middleware. A subscriber registers its interests at the middleware. The monograph describes three different steps to determine the performance of such a system. In a first step, the message throughput performance of a publish/subscribe in different scenarios is measured using a Java Message Service (JMS) based implementation. In the second step the maximum achievable message throughput is described by adapted models depending on the filter complexity and the replication grade. Using the model, the performance characteristics of a specific system in a given scenario can be determined. These numbers are used for the queuing model described in the third part of the thesis, which supports the dimensioning of a system in realistic scenarios. Additionally, we introduce a method to approximate an M/G/1 system numerically in an efficient way, which can be used for real time analysis to predict the expected performance in a certain scenario. Finally, the analytical model is used to investigate different possibilities to ensure the scalability of the maximum achievable message throughput of the overall system. / Bei der Entwicklung moderner Applikationen ist es notwendig eine effiziente und performante Kommunikation zwischen den einzelnen Anwendungen sicherzustellen. In der Praxis kommt dabei eine Middleware Software zum Einsatz, die das Publish/Subscribe Kommunikationsmuster unterstützt. Dabei senden Publisher Informationen in Form von Nachrichten an die Middleware. Die Subscriber hingegen zeigen durch die Nutzung von Filtern der Middleware an, welche Informationen zugestellt werden sollen. Die Arbeit beschreibt ein dreistufiges Verfahren zur Leistungsbestimmung eines solchen Systems. Zunächst wird durch Messung die Leistung von Publish/Subscribe Systemen in verschiedenen Szenarien untersucht am Beispiel von Java Message Service (JMS) basierten Implementierungen. Danach wird der maximale Nachrichtendurchsatz in Abhängigkeit der Filterkomplexität und des Nachrichtenreplikationsgrades durch einfache Modelle beschrieben. Damit können die Leistungskennwerte für ein System und vorgegebenen Randbedingungen beschrieben werden. Im dritten Teil wird mittels Leistungsbewertung und durch Anwendung eines Warteschlangenmodells die Leistung in praxisnahen Umfeld beschrieben, so dass eine Dimensionierung möglich wird. Zusätzlich wird ein mathematisch, approximatives Verfahren vorgestellt, um ein M/G/1 System numerisch effizient berechnen zu können, was bei der Echtzeitbewertung eines Systems zur Leistungsvorhersage benutzt werden kann. Des Weiteren werden mittels des Modells Möglichkeiten untersucht die Skalierbarkeit des Gesamtsystems in Bezug auf den Nachrichtendurchsatz sicherzustellen.

Die derzeitige Internetarchitektur wurde nicht in einem geplanten Prozess konzipiert und entwickelt, sondern hat vielmehr eine evolutionsartige Entwicklung hinter sich. Auslöser für die jeweiligen Evolutionsschritte waren dabei meist aufstrebende Anwendungen, welche neue Anforderungen an die zugrundeliegende Netzarchitektur gestellt haben. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden häufig neuartige Dienste oder Protokolle spezifiziert und in die bestehende Architektur integriert. Dieser Prozess ist jedoch meist mit hohem Aufwand verbunden und daher sehr träge, was die Entwicklung und Verbreitung innovativer Dienste beeinträchtigt. Derzeitig diskutierte Konzepte wie Software-Defined Networking (SDN) oder Netzvirtualisierung (NV) werden als eine Möglichkeit angesehen, die Altlasten der bestehenden Internetarchitektur zu lösen. Beiden Konzepten gemein ist die Idee, logische Netze über dem physikalischen Substrat zu betreiben. Diese logischen Netze sind hochdynamisch und können so flexibel an die Anforderungen der jeweiligen Anwendungen angepasst werden. Insbesondere erlaubt das Konzept der Virtualisierung intelligentere Netzknoten, was innovative neue Anwendungsfälle ermöglicht. Ein häufig in diesem Zusammenhang diskutierter Anwendungsfall ist die Mobilität sowohl von Endgeräten als auch von Diensten an sich. Die Mobilität der Dienste wird hierbei ausgenutzt, um die Zugriffsverzögerung oder die belegten Ressourcen im Netz zu reduzieren, indem die Dienste zum Beispiel in für den Nutzer geographisch nahe Datenzentren migriert werden. Neben den reinen Mechanismen bezüglich Dienst- und Endgerätemobilität sind in diesem Zusammenhang auch geeignete Überwachungslösungen relevant, welche die vom Nutzer wahrgenommene Dienstgüte bewerten können. Diese Lösungen liefern wichtige Entscheidungshilfen für die Migration oder überwachen mögliche Effekte der Migration auf die erfahrene Dienstgüte beim Nutzer. Im Falle von Video Streaming ermöglicht ein solcher Anwendungsfall die flexible Anpassung der Streaming Topologie für mobile Nutzer, um so die Videoqualität unabhängig vom Zugangsnetz aufrechterhalten zu können. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wird der beschriebene Anwendungsfall am Beispiel einer Video Streaming Anwendung näher analysiert und auftretende Herausforderungen werden diskutiert. Des Weiteren werden Lösungsansätze vorgestellt und bezüglich ihrer Effizienz ausgewertet. Im Detail beschäftigt sich die Arbeit mit der Leistungsanalyse von Mechanismen für die Dienstmobilität und entwickelt eine Architektur zur Optimierung der Dienstmobilität. Im Bereich Endgerätemobilität werden Verbesserungen entwickelt, welche die Latenz zwischen Endgerät und Dienst reduzieren oder die Konnektivität unabhängig vom Zugangsnetz gewährleisten. Im letzten Teilbereich wird eine Lösung zur Überwachung der Videoqualität im Netz entwickelt und bezüglich ihrer Genauigkeit analysiert. / Today’s Internet architecture was not designed from scratch but was driven by new services that emerged during its development. Hence, it is often described as patchwork where additional patches are applied in case new services require modifications to the existing architecture. This process however is rather slow and hinders the development of innovative network services with certain architecture or network requirements. Currently discussed technologies like Software-Defined Networking (SDN) or Network Virtualization (NV) are seen as key enabling technologies to overcome this rigid best effort legacy of the Internet. Both technologies offer the possibility to create virtual networks that accommodate the specific needs of certain services. These logical networks are operated on top of a physical substrate and facilitate flexible network resource allocation as physical resources can be added and removed depending on the current network and load situation. In addition, the clear separation and isolation of networks foster the development of application-aware networks that fulfill the special requirements of emerging applications. A prominent use case that benefits from these extended capabilities of the network is denoted with service component mobility. Services hosted on Virtual Machines (VMs) follow their consuming mobile endpoints, so that access latency as well as consumed network resources are reduced. Especially for applications like video streaming, which consume a large fraction of the available resources, is this an important means to relieve the resource constraints and eventually provide better service quality. Service and endpoint mobility both allow an adaptation of the used paths between an offered service, i.e., video streaming and the consuming users in case the service quality drops due to network problems. To make evidence-based adaptations in case of quality drops, a scalable monitoring component is required that is able to monitor the service quality for video streaming applications with reliable accuracy. This monograph details challenges that arise when deploying a certain service, i.e., video streaming, in a future virtualized network architecture and discusses possible solutions. In particular, this work evaluates the performance of mechanisms enabling service mobility and presents an optimized architecture for service mobility. Concerning endpoint mobility, improvements are developed that reduce the latency between endpoints and consumed services and ensure connectivity regardless of the used mobile access network. In the last part, a network-based video quality monitoring solution is developed and its accuracy is evaluated.

Routing is one of the most important issues in any communication network. It defines on which path packets are transmitted from the source of a connection to the destination. It allows to control the distribution of flows between different locations in the network and thereby is a means to influence the load distribution or to reach certain constraints imposed by particular applications. As failures in communication networks appear regularly and cannot be completely avoided, routing is required to be resilient against such outages, i.e., routing still has to be able to forward packets on backup paths even if primary paths are not working any more. Throughout the years, various routing technologies have been introduced that are very different in their control structure, in their way of working, and in their ability to handle certain failure cases. Each of the different routing approaches opens up their own specific questions regarding configuration, optimization, and inclusion of resilience issues. This monograph investigates, with the example of three particular routing technologies, some concrete issues regarding the analysis and optimization of resilience. It thereby contributes to a better general, technology-independent understanding of these approaches and of their diverse potential for the use in future network architectures. The first considered routing type, is decentralized intra-domain routing based on administrative IP link costs and the shortest path principle. Typical examples are common today's intra-domain routing protocols OSPF and IS-IS. This type of routing includes automatic restoration abilities in case of failures what makes it in general very robust even in the case of severe network outages including several failed components. Furthermore, special IP-Fast Reroute mechanisms allow for a faster reaction on outages. For routing based on link costs, traffic engineering, e.g. the optimization of the maximum relative link load in the network, can be done indirectly by changing the administrative link costs to adequate values. The second considered routing type, MPLS-based routing, is based on the a priori configuration of primary and backup paths, so-called Label Switched Paths. The routing layout of MPLS paths offers more freedom compared to IP-based routing as it is not restricted by any shortest path constraints but any paths can be setup. However, this in general involves a higher configuration effort. Finally, in the third considered routing type, typically centralized routing using a Software Defined Networking (SDN) architecture, simple switches only forward packets according to routing decisions made by centralized controller units. SDN-based routing layouts offer the same freedom as for explicit paths configured using MPLS. In case of a failure, new rules can be setup by the controllers to continue the routing in the reduced topology. However, new resilience issues arise caused by the centralized architecture. If controllers are not reachable anymore, the forwarding rules in the single nodes cannot be adapted anymore. This might render a rerouting in case of connection problems in severe failure scenarios infeasible. / Routing stellt eine der zentralen Aufgaben in Kommunikationsnetzen dar. Es bestimmt darüber, auf welchem Weg Verkehr von der Quelle zum Ziel transportiert wird. Durch geschicktes Routing kann dadurch eine Verteilung der Verkehrsflüsse zum Beispiel zur Lastverteilung erreicht werden. Da Fehler in Kommunikationsnetzen nicht vollständig verhindert werden können, muss Routing insbesondere ausfallsicher sein, d.h., im Falle von Fehlern im Netz muss das Routing weiterhin in der Lage sein, Pakete auf alternativen Pfaden zum Ziel zu transportieren. Es existieren verschiedene gängige Routingverfahren und Technologien, die sich hinsichtlich Ihrer Arbeitsweise, Ihrer Kontrollstrukturen und Ihrer Funktionalität in bestimmten Fehlerszenarien unterscheiden. Für diese verschiedenen Ansätze ergeben sich jeweils eigene Fragestellungen hinsichtlich der Konfiguration, der Optimierung und der Berücksichtigung von Ausfallsicherheit. Diese Doktorarbeit behandelt am Beispiel bestimmter Technologien einige konkrete Fragestellungen zur Analyse und Optimierung der Ausfallsicherheit. Sie liefert damit einen Beitrag zum besseren generellen Verständnis verschiedenartiger Routingansätze und deren unterschiedlichen Potentials für den Einsatz in zukünftigen Netzarchitekturen. Zuerst wird dezentrales Routing behandelt, basierend auf administrativen Linkgewichten und dem Prinzip der kürzesten Pfade, wie es beispielsweise in den Protokollen IS-IS und OSPF genutzt wird. Diese Routingverfahren beinhalteten automatische Rekonvergenz-Mechanismen um im Falle von Fehlern auf der verbleibenden Netzstruktur weiterhin einen Transport von Verkehr zu ermöglichen. Spezielle IP-Fast Reroute Mechanismen ermöglichen zudem eine schnelle Reaktion im Falle von Fehlern. Routing basierend auf Linkgewichten lässt sich nur indirekt durch die Wahl geeigneter Gewichte beeinflussen und optimieren. Die zweite in der Doktorarbeit behandelte Routingart ist MPLS-basiertes Routing, bei dem Labels für Pakete verwendet werden und Pakete anhand sogenannter vorkonfigurierter Label Switched Paths weitergeleitet werden. Diese Technologie bietet mehr Freiheiten bei der Wahl des Pfadlayouts, was aber wiederum im Allgemeinen einen erhöhten Konfigurationsaufwand mit sich bringt. Schließlich greift die Doktorarbeit auch das Routing in SDN Netzen auf. Dort erfolgt eine Trennung von Control Plane und Data Plane, so dass einzelne dedizierte Controller die Routingentscheidungen festlegen und ansonsten einfache Switches mit reduzierter Komplexität den Verkehr lediglich entsprechend der festgelegten Regeln weiterleiten. Dies ermöglicht die größte Freiheit bei der Konfiguration des Routing bringt aber wiederum neue Fragestellungen bedingt durch die zentralen Kontrolleinheiten mit sich.

The rapid growth in the field of communication networks has been truly amazing in the last decades. We are currently experiencing a continuation thereof with an increase in traffic and the emergence of new fields of application. In particular, the latter is interesting since due to advances in the networks and new devices, such as smartphones, tablet PCs, and all kinds of Internet-connected devices, new additional applications arise from different areas. What applies for all these services is that they come from very different directions and belong to different user groups. This results in a very heterogeneous application mix with different requirements and needs on the access networks. The applications within these networks typically use the network technology as a matter of course, and expect that it works in all situations and for all sorts of purposes without any further intervention. Mobile TV, for example, assumes that the cellular networks support the streaming of video data. Likewise, mobile-connected electricity meters rely on the timely transmission of accounting data for electricity billing. From the perspective of the communication networks, this requires not only the technical realization for the individual case, but a broad consideration of all circumstances and all requirements of special devices and applications of the users. Such a comprehensive consideration of all eventualities can only be achieved by a dynamic, customized, and intelligent management of the transmission resources. This management requires to exploit the theoretical capacity as much as possible while also taking system and network architecture as well as user and application demands into account. Hence, for a high level of customer satisfaction, all requirements of the customers and the applications need to be considered, which requires a multi-faceted resource management. The prerequisite for supporting all devices and applications is consequently a holistic resource management at different levels. At the physical level, the technical possibilities provided by different access technologies, e.g., more transmission antennas, modulation and coding of data, possible cooperation between network elements, etc., need to be exploited on the one hand. On the other hand, interference and changing network conditions have to be counteracted at physical level. On the application and user level, the focus should be on the customer demands due to the currently increasing amount of different devices and diverse applications (medical, hobby, entertainment, business, civil protection, etc.). The intention of this thesis is the development, investigation, and evaluation of a holistic resource management with respect to new application use cases and requirements for the networks. Therefore, different communication layers are investigated and corresponding approaches are developed using simulative methods as well as practical emulation in testbeds. The new approaches are designed with respect to different complexity and implementation levels in order to cover the design space of resource management in a systematic way. Since the approaches cannot be evaluated generally for all types of access networks, network-specific use cases and evaluations are finally carried out in addition to the conceptual design and the modeling of the scenario. The first part is concerned with management of resources at physical layer. We study distributed resource allocation approaches under different settings. Due to the ambiguous performance objectives, a high spectrum reuse is conducted in current cellular networks. This results in possible interference between cells that transmit on the same frequencies. The focus is on the identification of approaches that are able to mitigate such interference. Due to the heterogeneity of the applications in the networks, increasingly different application-specific requirements are experienced by the networks. Consequently, the focus is shifted in the second part from optimization of network parameters to consideration and integration of the application and user needs by adjusting network parameters. Therefore, application-aware resource management is introduced to enable efficient and customized access networks. As indicated before, approaches cannot be evaluated generally for all types of access networks. Consequently, the third contribution is the definition and realization of the application-aware paradigm in different access networks. First, we address multi-hop wireless mesh networks. Finally, we focus with the fourth contribution on cellular networks. Application-aware resource management is applied here to the air interface between user device and the base station. Especially in cellular networks, the intensive cost-driven competition among the different operators facilitates the usage of such a resource management to provide cost-efficient and customized networks with respect to the running applications. / In den heutigen Zugangsnetzen steigt der Verkehr immer mehr an. Es gibt immer mehr Applikationen und Anwendungen, resultierend aus dem technischen Fortschritt bei Geräten für den Endverbraucher und dem technologischen Fortschritt im Netzwerk. Gleichzeitig ergeben sich auch immer unterschiedlichere Anwendungsfelder (Maschine-zu-Maschine-Kommunikation, Anwendungen aus dem Gesundheitswesen, Ultra-High-Definition Fernsehen, neue kommerzielle Dienste für das Transportwesen und für Firmen, Assistenzsysteme für ältere Menschen, Sensornetzwerke, etc.) und damit hohe, heterogene Anforderungen an die Zugangsnetze. Aus technischer Sicht der Kommunikationsnetze bedeutet dies, dass nicht nur einzelne Anwendungen im Netzwerk unterstützt werden müssen, sondern dass eine breite Berücksichtigung aller Umstände und Anforderungen nötig ist. Dies gilt zusätzlich zu den üblichen Anforderungen, wie beispielsweise Kosten- und Energieeinsparungen im Netzwerk. Eine solche umfassende Berücksichtigung aller Eventualitäten kann nur durch ein dynamisches, individuelles und intelligentes Management der Übertragungsressourcen erreicht werden. Dabei muss einerseits die theoretische Kapazität soweit wie möglich ausgenutzt werden und andererseits aber sowohl die System- und Netzarchitektur als auch das Nutzer- und Applikationsverhalten angemessen in Betracht gezogen werden. Hierfür ist ein vielschichtiges Ressourcenmanagement auf verschiedenen Ebenen nötig. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung, Untersuchung und Bewertung von einem ganzheitlichen Ressourcenmanagement im Hinblick auf neue Anforderungen und aufkommende, neue Anwendungsfelder. Es werden entsprechende Ansätze auf verschiedenen Kommunikationsebenen mit sowohl Simulationsstudien als auch praktischer Emulationen und Messungen in Testbeds entwickelt. Die untersuchten und entwickelten Ansätze unterscheiden sich hinsichtlich der Komplexität und der Ebene auf der sie arbeiten mit dem Ziel den gesamten Gestaltungsraum auf systematische Art und Weise abzudecken. Da die Ansätze in der Regel nicht allgemeingültig für alle Arten von Zugangsnetzen evaluiert werden können, sind in der Arbeit Implementierungsbeispiele enthalten. Zusätzlich werden technologiespezifische Bewertungen durchgeführt neben der Modellierung des Szenarios und der Applikationsanforderungen. Es werden Mobilfunknetze und drahtlose Mesh-Zugangsnetzwerke in dieser Arbeit betrachtet. Teil 1: Untersuchungen zum Ressourcenmanagement auf der physikalischen Ebene: Der erste Teil beschäftigt sich mit dem Management von Ressourcen auf der physikalischen Übertragungsebene. Es werden verteilte Ressourcenallokationsansätze unter verschiedenen Einstellungen für Mobilfunknetze untersucht. Der Schwerpunkt der Arbeit im ersten Teil liegt auf der Identifizierung von Ansätzen, die in der Lage sind, Interferenzen zu reduzieren. Es werden verschiedene Koordinierungsmechanismen entwickelt und vorgeschlagen, die zu einer effizienteren Ressourcennutzung führen. Teil 2: Spezifikation und Entwicklung von anwendungsorientiertem Ressourcenmanagement: Aufgrund der unterschiedlichen Anwendungen und Dienste, werden die Netze zunehmend mit heterogenen, anwendungsspezifischen Anforderungen von Applikationen konfrontiert. Dementsprechend liegt der Schwerpunkt im zweiten Teil auf der Optimierung der Netzwerkcharakteristiken und -parameter unter Berücksichtigung von Anwendungen und deren Bedürfnissen. Es wird anwendungsbezogenes Ressourcenmanagement eingeführt und spezifiziert, um effiziente und maßgeschneiderte Zugangsnetze zu ermöglichen. Teil 3: Anwendungsbeispiele & Emulation, Messung und Leistungsanalyse von anwendungsbezogenem Ressourcenmanagement für drahtlose Mesh-Zugangsnetzwerke und zelluläre Mobilfunknetze: Man kann Ressourcenmanagementansätze und -algorithmen nicht allgemeingültig für alle Arten von Zugangsnetzen untersuchen. Je nach Netzwerktyp und –technologie ergeben sich unterschiedliche Netzwerkeigenschaften. In der Arbeit werden Anwendungsbeispiele von applikationsbezogenem Ressourcenmanagement gegeben. Zum einen werden drahtlose Multi-Hop Mesh-Netzwerke betrachtet. Mesh-Netzwerke bieten viele verschiedene Optionen und Managementmöglichkeiten bei der Übertragung von Daten. Somit stellt ein solches Netz eine ausgezeichnete Gelegenheit dar, die Vorteile von anwendungsbezogenem Ressourcenmanagement zu quantifizieren. Die Bewertung erfolgt in einem Mesh-Testbed mit empirischen Messungen anhand von YouTube. Diese praktische Implementierung veranschaulicht die Vorteile des Konzepts, zeigt die Machbarkeit und quantifiziert den Nutzen für YouTube. Ein weiterer Typ von Netzwerk, das untersucht wird, ist das Mobilfunknetz. Im letzten Teil der Arbeit wird anwendungsorientiertes Ressourcenmanagement für die Luftschnittstelle im Mobilfunk zwischen Teilnehmergerät und der Basisstation spezifiziert und bewertet.

This thesis contributes to several issues in the context of SDN and NFV, with an emphasis on performance and management. The main contributions are guide lines for operators migrating to software-based networks, as well as an analytical model for the packet processing in a Linux system using the Kernel NAPI. / In der Dissertation werden mehrere Problemstellungen im Kontext von SDN und NFV, vor allem hinsichtlich Performance und Management, bearbeitet. Die Hauptbeiträge sind Guidelines für Netzbetreiber zum Management Software-basierter Netze sowie ein analytisches Modell, welches den Paketverarbeitungsprozess in der Linux Kernel NAPI beschreibt.

Computer systems have replaced human work-force in many parts of everyday life, but there still exists a large number of tasks that cannot be automated, yet. This also includes tasks, which we consider to be rather simple like the categorization of image content or subjective ratings. Traditionally, these tasks have been completed by designated employees or outsourced to specialized companies. However, recently the crowdsourcing paradigm is more and more applied to complete such human-labor intensive tasks. Crowdsourcing aims at leveraging the huge number of Internet users all around the globe, which form a potentially highly available, low-cost, and easy accessible work-force. To enable the distribution of work on a global scale, new web-based services emerged, so called crowdsourcing platforms, that act as mediator between employers posting tasks and workers completing tasks. However, the crowdsourcing approach, especially the large anonymous worker crowd, results in two types of challenges. On the one hand, there are technical challenges like the dimensioning of crowdsourcing platform infrastructure or the interconnection of crowdsourcing platforms and machine clouds to build hybrid services. On the other hand, there are conceptual challenges like identifying reliable workers or migrating traditional off-line work to the crowdsourcing environment. To tackle these challenges, this monograph analyzes and models current crowdsourcing systems to optimize crowdsourcing workflows and the underlying infrastructure. First, a categorization of crowdsourcing tasks and platforms is developed to derive generalizable properties. Based on this categorization and an exemplary analysis of a commercial crowdsourcing platform, models for different aspects of crowdsourcing platforms and crowdsourcing mechanisms are developed. A special focus is put on quality assurance mechanisms for crowdsourcing tasks, where the models are used to assess the suitability and costs of existing approaches for different types of tasks. Further, a novel quality assurance mechanism solely based on user-interactions is proposed and its feasibility is shown. The findings from the analysis of existing platforms, the derived models, and the developed quality assurance mechanisms are finally used to derive best practices for two crowdsourcing use-cases, crowdsourcing-based network measurements and crowdsourcing-based subjective user studies. These two exemplary use-cases cover aspects typical for a large range of crowdsourcing tasks and illustrated the potential benefits, but also resulting challenges when using crowdsourcing. With the ongoing digitalization and globalization of the labor markets, the crowdsourcing paradigm is expected to gain even more importance in the next years. This is already evident in the currently new emerging fields of crowdsourcing, like enterprise crowdsourcing or mobile crowdsourcing. The models developed in the monograph enable platform providers to optimize their current systems and employers to optimize their workflows to increase their commercial success. Moreover, the results help to improve the general understanding of crowdsourcing systems, a key for identifying necessary adaptions and future improvements. / Computer haben menschliche Arbeitskräfte mittlerweile in vielen Bereichen des täglichen Lebens ersetzt. Dennoch gibt es immer noch eine große Anzahl von Aufgaben, die derzeit nicht oder nur teilweise automatisierbar sind. Hierzu gehören auch solche, welche als sehr einfach erachtet werden, beispielsweise das Kategorisieren von Bildinhalten oder subjektive Bewertungen. Traditionell wurden diese Aufgaben vorwiegend von eigens angestellten Mitarbeitern oder über Outsourcing gelöst. In den vergangenen Jahren wurde hierfür jedoch immer häufiger Crowdsourcing verwendet, wobei die große Anzahl an weltweiten Internetnutzern als hoch verfügbare, kostengünstige und einfach zu erreichende Arbeiterschaft eingesetzt wird. Um eine weltweite Verteilung von Arbeit zu ermöglichen hat sich eine neue Art von Internetdienstleistern entwickelt, die sogenannten Crowdsourcingplattformen. Diese dienen als Vermittler zwischen Arbeitgebern, welche Aufgaben auf den Plattformen einstellen und Arbeitnehmer, welche diese Aufgaben bearbeiten. Hierbei ergeben sich zwei Arten von Herausforderungen. Einerseits entstehen Herausforderungen technischer Art, wie etwa Fragen bezüglich der Dimensionierung der Plattforminfrastruktur oder der Realisierung von Programmierschnittstellen zur Verbindung von Crowdsourcingplattformen mit anderen Cloudanbietern. Andererseits ergeben sich konzeptionelle Herausforderungen, wie etwa die Identifikation vertrauenswürdiger Arbeitnehmer oder Methoden zur Migration von traditionellen Arbeitsaufgaben in Crowdsourcing-basierte Arbeit. In diesem Monograph werden beide Arten von Herausforderungen adressiert. Hierzu werden aktuelle Crowdsourcingsysteme analysiert und modelliert, um basieren auf den gewonnenen Erkenntnissen, Arbeitsabläufe im Crowdsourcing und die den Systemen zu Grunde liegende Infrastruktur zu optimieren. Zunächst wird hierfür eine Kategorisierung von Crowdsourcing Aufgaben und Plattformen entwickelt um generalisierbare Eigenschaften abzuleiten. Basierend auf dieser Kategorisierung und einer beispielhaften Analyse einer kommerziellen Crowdsourcingplattform werden Modelle entwickelt, die verschiedene Aspekte der Plattformen sowie der eingesetzten Mechanismen abbilden. Hierbei wird ein besonderer Fokus auf die Verlässlichkeit von Qualitätssicherungsmechanismen, deren Kosten und Einsetzbarkeit für verschiedene Aufgabentypen gelegt. Ferner wird ein neuer Qualitätssicherungsmechanismus vorgestellt und evaluiert, welcher lediglich auf den Interaktionen der Crowdsourcingarbeitnehmer mit der Nutzeroberfläche basiert. Die Erkenntnisse, aus der Analyse existierender Plattformen, den abgeleiteten Modellen und dem entwickelten Qualitätssicherungsmechanismus fließen schließlich in konkrete Designempfehlungen für zwei exemplarische Crowdsourcinganwendungsfälle ein. Die beiden gewählten Anwendungsfälle decken Aspekte einer Vielzahl von Crowdsourcingaufgaben ab und zeigen sowohl die Vorteile als auch die Herausforderungen beim Einsatz von Crowdsourcing. Aufgrund der zunehmenden Digitalisierung und Globalisierung des Arbeitsmarkes ist es zu erwarten, dass Crowdsourcing in den nächsten Jahren noch weiter an Bedeutung gewinnt. Dies zeigt sich bereits daran, dass Crowdsourcingansätze mittlerweile vermehrt in Unternehmen oder im mobilen Umfeld eingesetzt werden. Die Modelle aus diesem Monograph, ermöglichen Plattformbetreibern eine Optimierung ihrer Systeme und Arbeitgebern eine Optimierung ihrer Arbeitsabläufe. Weiterhin helfen die gewonnenen Erkenntnisse das prinzipielle Verständnis von Crowdsourcingsystemen zu verbessern, was wiederum eine Grundvoraussetzung für das Erkennen von Anpassungsbedarf und Optimierungspotential ist.