Riassunto analitico
Gli operatori PPDR (Public Protection and Disaster Relief) si affidano alla tecnologia per fornire una risposta ottimale alle situazioni di emergenza. Le moderne attrezzature adottate dagli operatori spesso necessitano di essere connesse alla rete, o in altre parole la connettività è necessaria per la loro operatività. Tuttavia, dopo un disastro, è abbastanza comune avere una infrastruttura di rete danneggiata; inoltre, l'improvviso aumento della domanda di rete potrebbe rendere il sistema inutilizzabile a causa di congestione. In questa tesi viene dapprima definita una architettura di emergenza senza infrastrutture per offrire una copertura LTE agli operatori, connessa ad internet tramite un link satellitare per operare anche in caso di distruzione delle reti commerciali. Dopo di che, presento il contributo originale della tesi che è una valutazione (tramite simulazioni) di due tecniche esistenti (C2ML+ e PINK) e lo sviluppo e la valutazione di una strategia di routing innovativa (BP-MR per-flow) per ridurre la congestione nelle reti emergenza. Ho valutato queste proposte alla luce dei più recenti aggiornamenti al protocollo TCP, grazie ad un aggiornamento architetturale (descritto in dettaglio in questa tesi) del modulo TCP del simulatore utilizzato. C2ML+ gestisce le risorse disponibili nella rete locale e impone un corretto utilizzo delle stesse, limitando il protocollo TCP attraverso un layer aggiuntivo installato nello stack di rete dei nodi della LAN. PINK è una tecnica AQM che permette di regolare dinamicamente la dimensione della finestra TCP nei segmenti entrata e in uscita, limitando così la velocità consentita, senza richiedere modifiche sul lato client. Queste due tecniche si rivelano efficaci nel prevenire la congestione in presenza di flussi reattivi (ad esempio quelli TCP). L'ultima parte della tesi è focalizzata sullo sviluppo e la valutazione di una variante per-flow di BP-MR, un protocollo di routing congestion-aware per alleviare la congestione introdotta da flussi non reattivi (come ad esempio quelli UDP). Il protocollo instrada i pacchetti verso il percorso meno congestionato, usando informazioni geografiche e il numero di pacchetti salvati nelle code di trasmissione come indicatore di congestione. La peculiarità è che mantiene l'ordinamento dei pacchetti, quindi senza danneggiare le prestazioni dei flussi TCP. Il simulatore di reti ns-3 è utilizzato nella tesi per condurre tutti gli esperimenti, presentando i risultati dopo una attenta analisi delle informazioni ottenute da latenza, throughput, scalabilità, e altri indicatori di performance, con l'obiettivo di valutare la fattibilità e l'impatto delle proposte sullo allo scenario di emergenza.
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Abstract
Public Protection and Disaster Relief (PPDR) professionals rely on technology to provide an optimal response to emergency circumstances. The modern equipment adopted by the operators is often network-dependent, or in other words, it requires connectivity to be fully operational. However, after a disaster, it is quite common to have a damaged network infrastructure; moreover, the sudden rise of network demand could make the system unusable due to congestion. In this thesis, I firstly define a model of a dedicated emergency infrastructure-less architecture, that provides LTE coverage to operators, backhauled by a satellite connection to operate even in case commercial networks get destroyed. After that, I present the original contribution of this thesis, an evaluation by means of simulations, of two existing techniques (C2ML+ and PINK) and the development and assessment of an innovative routing strategy (BP-MR per-flow) to reduce the congestion in emergency networks. I evaluate these proposals in the light of the most recent TCP improvements, thanks to an architectural update (reported in detail in this thesis) of the simulator TCP module.
C2ML+ manages the available resources in the Local Area Network and
forcefully imposes a fair usage by limiting the TCP rate through a new layer installed in the clients' networking stack. PINK is an AQM technique to dynamically adjust the TCP window size in the incoming and outgoing segments, thus limiting the allowed rate, without requiring client-side modifications as needed by C^{2}ML+. These two techniques impose a fair usage of the bottleneck, hence preventing the congestion in the presence of responsive flow (such as TCP ones). The last part of the thesis is focused on the development and the evaluation of BP-MR per-flow, a congestion-aware routing protocol to alleviate the congestion introduced by unresponsive flows (such as UDP ones).
It routes the packets towards the less congested path, using geographical information and the number of packets stored in queues as congestion indicator, without introducing packet reordering, therefore without harming the performance of existing TCP flows. The network simulator ns-3 is used in the thesis to conduct performance evaluations through the analysis of extensive simulation sets, which include latency, throughput, fairness, as well as other network performance indicators to assess feasibility and impact of the proposals over the emergency scenario.
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