Riassunto analitico
Nello svolgimento dei loro tipici compiti giornalieri, gli operatori di pubblica sicurezza si affidano alle comuni reti mobili commerciali per effettuare comunicazioni dati ed utilizzare servizi basati su di esse. Tuttavia, durante disastri di grandi proporzioni, la norma è assistere in queste reti ad alti gradi di congestione e, spesso, subire vere e proprie interruzioni di servizio causate da danni infrastrutturali. Questo può ostacolare fortemente l'operatività degli operatori di emergenza e le possibilità per persone in difficoltà di utilizzare reti di comunicazione; ciò nonostante, entrambe le categorie si aspettano di fare affidamento su infrastrutture resilienti ed esigono che la rete sia sempre disponibile. Per fare sì che le odierne reti mobili siano in grado di fornire tali funzionalità, dev'essere introdotto un certo grado di ridondanza, sia questo in forme hardware come dislocamenti infrastrutturali aggiuntivi o in forme software come meccanismi di replicazione di dati. Il mio contributo abbraccia entrambi gli approcci, con lo scopo di abilitare reti eterogenee ad interoperare per assicurare connettività e funzionalità di trasferimento dati in scenari di emergenza, abilitando l'uso di risorse altrimenti sprecate o creandole, se necessario. Per far fronte al bisogno di ridondanza infrastrutturale, è stata progettata un'architettura di rete basata sull'integrazione tra reti satellitari e reti LTE, valida sia per scenari infrastrutturati che per scenari non infrastrutturati. La proposta che viene presentata mira a fornire ad operatori di emergenza e persone in difficoltà accessibilità trasparente, garanzie di copertura e prestazioni soddisfacenti quando le infrastrutture terrestri mancano, e ad espandere la loro copertura, capacità e resilienza altrimenti. Per implementare in modo opportuno una ridondanza a livello software, è stato progettato un sistema di rete basato sulle astrazioni del Software-Defined Networking e del Resource Pooling. Questo può permettere ad un numero arbitrario di utenti di trasmettere traffico dati in modo collaborativo e concorrente su un numero arbitrario di canali, così da compensare numerose perdite di pacchetti o l’improvvisa caduta di percorsi di instradamento. mQuesta tesi presenta anche il prototipo che è stato sviluppato ed utilizzato per effettuare test di emulazione e per estrarne i risultati. Questi dimostrano che il sistema proposto ha il potenziale di migliorare in modo significativo le capacità di comunicazione in scenari che presentano le complesse sfide sopra menzionate, in forma di più alte velocità di trasmissione dati e più solide garanzie di resilienza. È quindi mostrato che la disponibilità dei servizi di rete può essere fornita in molti più casi del normale, anche quando la regolare operatività di rete fallisce. Una volta che la disponibilità di comunicazioni wireless è saldamente stabilita, può essere importante far fronte opportunamente alla probabile congestione di rete, specialmente se delle aggressive tecniche di replicazione di pacchetti vengono utilizzate. Per far fronte a questa congestione, è stata progettata una politica di replicazione dati ibrida che può essere inserita nel sistema proposto, con lo scopo di determinare l'ammontare ottimale di ridondanza concorrente da inserire nella rete. Viene mostrato come questa politica risulti nella più elevata probabilità di consegna dei pacchetti raggiungibile tramite loro replicazione, e come al contempo permetta di ridurre considerevolmente i tempi di trasmissione se sufficienti risorse di rete sono disponibili, anche quando paragonata al caso senza congestione alcuna. Questa tesi mira a rappresentare un punto di partenza concreto per permettere di fornire servizi di nuova generazione in modo affidabile alle reti wireless odierne.
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Abstract
During their day-to-day tasks, public safety operators rely on commercial mobile networks in order to perform data communications and make use of data-based services. In major disasters, however, it is the norm to witness high degrees of network congestion and, often, to experience service outages caused by infrastructural damage. This may strongly hinder the operativity of emergency operators and the communication possibilities of people in distress, yet both expect to rely on resilient communication infrastructures and demand network availability no matter what. In order for today mobile networks to provide such capabilities, some degree of redundancy has to be introduced, either in hardware as infrastructural deployments or in software as data replication mechanisms. My contribution deals with both the approaches, presenting ways to en- able heterogeneous networks to interoperate for mission critical purposes, so as to assure connectivity and data transfer capabilities by enabling the use of resources otherwise wasted or by creating those, if necessary.
A network architecture based on the integration of satellite and LTE networks for both infrastructure-based and infrastructure-less scenarios has been designed to meet infrastructural redundancy. The presented proposal aims to provide field operators and people in distress with transparent accessibility, coverage guarantees and broadband performance when terrestrial infrastructures are lacking, and to expand their coverage, capacity and resilience otherwise.
To properly implement software-based redundancy, a network framework based on the software abstractions of Software-Defined Networking and Resource Pooling has been designed. It enables a number of collaborative hosts to concurrently forward data over an arbitrary number of channels, in order to compensate for high packet losses or the sudden unavailability of routing paths. The thesis also presents the prototype that has been built and used to extract emulation results. These demonstrate that the proposal have the potential to strongly improve data communication capabilities in constrained scenarios, in the form of higher data rates and stronger resilience guarantees. It is shown that services availability may be provided in much more cases than usual, even when regular operativity fails.
Once the data communication capabilities are solidly established, it may be important to deal properly with network congestion, especially if aggressive packet replication mechanisms are employed. A hybrid replication policy has been designed to be plugged in the aforementioned network framework, with the goal of determining the optimal amount of concurrent data redundancy to employ. It is shown how this policy results in the highest significant packet delivery probability attainable through packet replication, while significantly reducing transmission times if enough network resources are available, even when compared to the case with no congestion at all.
Finally, to enforce the prevention of congestion when it may otherwise reach unsafe levels, it is presented a queue management algorithm designed to indirectly impose a certain resource allocation policy on TCP-based flows. It works by computing and re- placing the TCP advertised Receive Windows field (RCV.WNDs) with custom values, in order to enforce a specific bandwidth utilization upper bound by client hosts.
This thesis aims to represent a viable starting point to enable the provision of reliable next-generation services to today wireless networks. The presented proposals are here mainly analyzed and discussed for disaster recovery purposes, yet they are applicable to many other scenarios as well.
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