Aspects of Quality : Using Quality Measurements to Improve Computer Network Performance

• Main Author: Söderman, Pehr
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: KTH, Network Systems Laboratory (NS Lab) 2016
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-184499; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-7595-869-9

As computer networks grow in complexity, measuring the performance becomes a challenge. Intrinsic properties of the networks capability to transport data, such as bandwidth, latency, loss, and error rate are not always enough to provide a clear picture of how well the network can satisfy the users' expectations. In these situations, the relationship between the users' expectations and the quality provided by the network is of interest. Today multiple approaches to quantifying quality exists, such as Quality of Service (QoS), Quality of Experience (QoE) and Quality of Information (QoI). In this thesis, we explore how such quality measurements can be used as means to improve network performance. In the first part, we examine the Quality of Service in shared experiment networks, with a focus on the FEDERICA network. We present a method for statistical analysis of metadata, based on clustering. We show that, using this method, it is possible to improve the reliability of experiments in shared experiment networks. In the second part, we take a Quality of Experience viewpoint, while doing experimental development. The goal is to improve the mobility performance of an implementation of the Stream Control Transfer Protocol (SCTP) on mobile devices. We present optimisations of the SCTP implementation along with a mobility framework, which simplifies the introduction of mobility functionality in an existing SCTP application. We show that by using this combination, it is possible to perform seamless vertical handover between WiFi and 3G cellular networks. In the third part, we focus on Quality of Information in Delay Tolerant Wireless Sensor Networks (DT-WSN). We study how it is possible to improve the quality of the measurements obtained under conditions where bandwidth and storage capacity are limited, forcing the network to discard a significant fraction of the data. We introduce the SmartGap algorithm, a buffer management algorithm for DT-WSNs, and demonstrate that this algorithm can provide significantly improved QoI over a wide range of network configurations. === De datornätverk som vi bygger idag är så komplexa att det kan vara svårt att mäta hur de presterar. Vi kan mäta grundläggande egenskaper, såsom bandbredd, genomströmning, latens, paketspridning och förluster, men det går inte alltid att direkt översätta resultatet av våra mätningar i en användarupplevelse. I det läget är förhållandet mellan användarens förväntningar och den kvalité som nätverket levererar intressant. Det har utvecklats en mängd olika lösningar för att mäta kvalité, så som tjänstekvalité (Quality of Service, QoS), upplevelsekvalité (Quality of Experience, QoE) och informationskvalité (Quality of Information, QoI). I detta arbete undersöker vi prestandan i komplexa nätverk, för att sedan försöka förbättra den. Vi grundar vårt arbete på mätningar av den nuvarande prestandan som vi kombinerar med relevanta kvalitetsaspekter. Arbetet görs i tre delar, i tre olika typer av nätverk. Vi fokuserar på olika kvalitétsmått i de olika delarna.I första delen så studerar vi tjänstekvalité (QoS) i delade forskningsnätverk, och då framförallt FEDERICA. Vi undersöker hur vi kan samla olika typer av information om nätverket och använda detta som en form av metadata om nätverket. Sedan presenterar vi en metod där vi använder statistisk analys och gruppering av metadata för att kunna dra slutsatser om nätverkets egenskaper. Vi visar att metoden kan förbättra tillförlitligheten hos experiment som utförs i delade forskningsnätverk.I andra delen fokuserar vi på upplevelsekvalité (QoE) och använder en experimentbaserad metod för att utveckla ett protokoll. Vi arbetar med övergångar mellan WiFI och mobila nätverk (så kallade vertikala övergångar) när vi använder SCTP-protokollet. Vid vertikala övergångar byter en enhet till ett nytt anslutningsmedium (från WiFi till mobilt nätverk eller tvärt om) men behåller de kommunikationsvägar som har etablerats. Målet är att användaren inte skall uppleva en kvalitésänkning när en övergång sker, vilket gör övergången transparent. Vi använder en kombination av vanliga mobiltelefoner och produktionsnätverk. Under arbetets gång utför vi experiment och samlar data om hur näten fungerar. Vi använder sedan den information för att identifiera olika faktorer som påverkar våra resultat. För att förbättra prestandan, och underlätta utvecklingen, introducerar vi ett ramverk för vertikala övergångar. Ramverket kombineras sedan med väl valda inställningar och en policy för vertikala övergångar baserat på signalstyrkan hos de anslutningspunkter som enheten har. Med den kombinationen visar vi att det är möjligt att genomföra transparenta övergångar.I tredje delen av arbetet utgår vi från informationskvalité (QoI) när vi undersöker störningståliga trådlösa sensornätverk (Delay/Distruption Tolerant Wireless Sensor Networks, DT-WSN). Vi undersöker hur vi kan förbättra kvalitén på mätningar i situationer där bandbredd och lagringskapacitet är kraftigt begränsaded, vilket gör att nätverket måste slänga bort en stor del av den insamlade datan. Som en del av detta arbete introducerar vi SmartGap, en bufferhanteringsalgorithm som fokuserar på informationskvalité för mätningar i DT-WSN. Vi studerar också vilka faktorer som är viktiga vid utvärdering av bufferhanteringsalgoritmer för DT-WSN.