Riassunto analitico
Le reti di telecomunicazione a supporto dei sistemi PPDR (Public Protection and Disaster Relief), sistemi di emergenza in scenari di crisi, sono oggigiorno una necessità per le situazioni critiche. Nel contesto delle circostanze estreme di emergenza, è essenziale disporre di una rete di telecomunicazione in grado di supportare la quantità di dati richiesta, così come ammortizzare correttamente picchi di traffico, mantenendo un basso ritardo tra gli estremi dei collegamenti. Nelle ultime decine di anni, questi problemi hanno guidato una cospicua porzione della ricerca nell'ambito ICT delle telecomunicazioni; le reti PPDR, in ogni caso, rappresentano un caso d'uso significativo a causa delle complicazioni intrinseche a tali sistemi.
Durante le operazioni di emergenza che seguono un disastro (naturale o provocato dall'uomo), infatti, sia le soluzioni commerciali che quelle dedicate spesso falliscono nel fornire il supporto necessario. Le ragioni sono di tripla natura: le reti vengono semplicemente distrutte dal disastro, le reti non sono in grado di supportare la domanda improvvisa di traffico, oppure le reti falliscono nel fornire la banda necessario e/o le garanzie di qualità del servizio necessarie. L'obbiettivo finale è quello di fornire agli operatori sul campo ed alle persone coinvolte dai disastri un'accessibilità trasparente alle risorse, garanzie di copertura e performance a banda larga, considerando sia gli aspetti algoritmici che tecnologici.
Il contributo di questo lavoro è quello di analizzare le problematiche e le sfide riguardanti il mondo PPDR, oltre che fornire soluzioni funzionali ai problemi elencati. Una caratteristica chiave del lavoro svolto è la possibilità di essere utilizzato non solo in contesti di emergenza, ma anche in qualsivoglia scenario di telecomunicazione, rappresentando una possibile soluzione a una vasta gamma di problemi nell'ambito ICT. La soluzione proposta si colloca al livello IP dello stack TCP-IP, progettata in un'ottica cross-layering per incrementare l'efficenza e per rispondere a requisiti di robustezza, una caratteristica vitale per i sistemi PPDR, all'interno di differenti tecnologie e condizioni d'ambiente.
Questo lavoro presenta e analizza le seguenti proposte: (i) una soluzione di tipo middleware per il controllo della congestione e dell'armonizzazione delle performance; (ii) un algoritmo AQM non invasivo in grado di mitigare problematiche di tipo TCP legate alla variazione del Round Trip Time (RTT) e alla prevenzione della congestione; (iii) uno scheduler di pacchetti modulare in grado di fornire un equilibrio deterministico tra livello di garanzie di servizio e alto throughput, offrendo quindi una caratteristica di flessibilità ai sistemi PPDR.
Queste soluzione vengono testate ed analizzate attraverso valutazioni sperimentali ed analitiche in modo da produrre soluzioni di rete robuste e consistenti, utilizzando sia metodi di simulazione che di emulazione.
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Abstract
Network-enabled services for Public Protection and Disaster Relief (PPDR) professionals have been more than necessary in todays emergency situations. Under the extreme circumstances of an emergency, it is essential to have networks which support the required data throughput as well as high availability in spite of high traffic volumes, and minimize end-to-end delay. In the last decades, these issues have been steering a good portion of networking research in ICT world; PPDR networks, however, still represent a significant case study due to the challenges that they entail.
During the emergency operations that follow natural or man-made disasters, in fact, both commercial and dedicated terrestrial networks often fail to provide the necessary support. The reason is threefold: they simply get destroyed by the disaster, they cannot sustain the sudden surge of network demand, or they fail to deliver the necessary bandwidth and/or other QoS guarantees. The final goal is to provide field operators and people in distress with transparent accessibility, coverage guarantees and broadband performance, with both the technological and the algorithmic points of view properly considered.
The contribution of this work is to analyze the issues and the challenges belonging to the PPDR world, and to provide suitable solutions to the above mentioned problems. A key feature of the work is that the proposed solutions are not simply tailored for specific PPDR scenario, but they can be easily deployed in whichever network environment, representing a possible ICT solution for a vast range of problems. The proposed solutions can all be placed at (or around) the networking level of the TCP-IP stack, designed with the cross-layering paradigm to boost the efficiency and to address resiliency, a vital feature for PPDR systems, with different technologies and environmental conditions.
This work presents and analyzes the following proposals: (i) a middleware layer solution to control network congestion and fairness; (ii) a no-drop AQM algorithm that mitigates TCP issues related to RTT variations and congestion avoidance; (iii) a modular packet scheduler algorithms that provides a balance between high QoS guarantees and high throughput while still offering the possibility to boost one with respect to another in a fine-grained way, offering a key feature of flexibility in PPDR systems.
All these solutions are tested and analyzed through analytical an experimental evaluations in order to provide sound and robust networking solutions, by using both simulations and emulations techniques.
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