Progetto TANGO

MINISTERO DELL'ISTRUZIONE, DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA
Dipartimento per la Programmazione il Coordinamento e gli Affari Economici
Servizio per lo sviluppo e il Potenziamento delle Attività di ricerca (SSPAR)
PNR 2001-2003 (FIRB art.8) D.M. 199 Ric. del 8 marzo 2001

Anno 2001 - Protocollo: RBNE01BNL5

Parte I "Il Progetto"

MACRO OBIETTIVO	Crescita Competitiva Sostenibile
PROGRAMMA STRATEGICO	Tecnologie abilitanti per la Societa' della conoscenza ICT
Proposta progettuale attinente	Metodi analitici e numerici avanzati

1.1 Titolo del Progetto di Ricerca

Algoritmi e modelli dell'ingegneria del traffico per l'ottimizzazione di reti IP di nuova concezione

Traffic models and Algorithms for Next Generation IP networks Optimization (TANGO)

1.2.a Risultati attesi

nº	Articolazione	Descrizione
1.	Modelli ed algoritmi di simulazione e di ottimizzazione per la progettazione e la gestione di reti	Modelli analitici, modelli di simulazione ed algoritmi di ottimizzazione per per il supporto di progetto, dimensionamento, configurazione e gestione di reti IP di nuova generazione con garanzie di qualità di servizio
2.	Problemi di routing e scheduling e di ottimizzazione non lineare su larga scala	Problemi di routing in reti IP; problemi di scheduling all'interno di router IP; problemi di ottimizzazione per per il supporto di progetto, dimensionamento, configurazione e gestione di reti IP di nuova generazione con garanzie di qualità di servizio
3.	Sistemi di code e distribuzioni e traffico autosimili	Modelli analitici e simulativi per la stima delle prestazioni di reti IP in presenza di traffico autosimile

1.2.b Costituzione, potenziamento e messa in rete di Centri di alta qualificazione scientifica, pubblici o privati

Costituzione, potenziamento e messa in rete di Centri di alta qualificazione scientifica, pubblici o privati non sono previsti.

These aspects are not foreseen by the project.

1.3 Abstract del Progetto di Ricerca

Questo progetto FIRB, TANGO, si propone di contribuire alla realizzazione di una metodologia di progetto, dimensionamento, configurazione e gestione per reti IP multiservizio di nuova generazione, con avanzate capacità di controllo del traffico e con garanzie di QoS per gli utenti finali. A tal fine, TANGO svilupperà nuovi strumenti modellistici (analitici e di simulazione) e di ottimizzazione. La disponibilità di questi strumenti permetterà agli operatori nel settore delle telecomunicazioni e dell'informatica (gestori, aziende, ISP) di progettare meglio le loro reti e di disporre di migliori algoritmi di gestione e configurazione, con notevoli vantaggi in termini sia di riduzione dei costi e delle tariffe, sia di miglioramento nella QoS percepita dagli utenti.

TANGO farà riferimento a reti con architettura Internet multistrato, in cui lo strato protocollare IP vero e proprio è supportato da uno strato MPLS (Multi Protocol Label Switching), che a sua volta poggia su un'infrastruttura ottica WDM con gestione flessibile delle lunghezze d'onda (GMPLS); inoltre si presupporrà che la rete adotti politiche DiffServ (Differentiated Services) a livello IP in un contesto che nella parte interna della rete (Core Network) è caratterizzato dalla presenza di domìni eterogenei gestiti da differenti provider, mentre nella rete di accesso (Edge Network) prevede l'adozione di differenti tecnologie (con un'utilizzazione crescente di tecnologie radiomobili).

Il progetto si articola in quattro Work Package (WP):
· WP1: Algoritmi e protocolli per il controllo del traffico in reti IP di nuova generazione
· WP2: Modelli avanzati per il traffico IP e loro uso nella valutazione delle prestazioni
· WP3: Tecniche di ottimizzazione per la pianificazione e la progettazione di reti IP di nuova generazione
· WP4: Testbed sperimentali.

La strutturazione del progetto nei quattro WP permette di identificare chiaramente le principali attivita` di ricerca di TANGO. Gli algoritmi di controllo del traffico propri dei livelli TCP-IP (quelli tradizionalmente utilizzati nell'architettura Internet) saranno studiati nell'ambito del WP1, le cui ricerche cercheranno di identificare algoritmi innovativi che ben si adattino al contesto considerato. Il WP1 inoltre comprendera` anche le attività volte ad identificare approcci per estendere in modo unificato le funzionalità degli algoritmi di controllo del traffico agli strati MPLS e WDM. Gli algoritmi di controllo del traffico identificati nell'ambito del WP1 verranno poi analizzati mediante modelli analitici e simulativi nell'ambito del WP2. I risultati, in termini di QoS, saranno usati per l'impostazione degli algoritmi di ottimizzazione nell'ambito del WP3, in modo da pervenire a strumenti per il progetto di reti IP che incorporino algoritmi sofisticati di controllo del traffico. La verifica sperimentale dei risultati ottenuti per via analitica e simulativa sara` svolta mediante testbed sperimentali nell'ambito del WP4, ma la funzione dei testbed si esplichera` durante tutto il progetto, permettendo di sperimentare ed affinare le proposte che verranno via via considerate dalle unità di ricerca.

Particolare attenzione sara` posta alle attivita` volte al coordinamento delle diverse unita` di ricerca ed alla diffusione dei risultati prodotti dal progetto di ricerca. Per raggiungere questo secondo obiettivo, alla fine del progetto sara` organizzato un workshop internazionale sui temi del progetto, con la pubblicazione di atti in lingua inglese. Cio` permettera` di dare la massima visibilita` ai risultati di TANGO, grazie sia alla partecipazione al workshop di ricercatori esterni al progetto, sia alla diffusione degli atti del workshop, che saranno pubblicati da una primaria casa editrice, come e` gia` stato ottenuto nel caso di programmi di ricerca precedenti su temi affini. In aggiunta, si studiera` la possibilita` di organizzare numeri speciali di prestigiose riviste internazionali, dove pubblicare i migliori risultati di TANGO.

This FIRB proposal, TANGO, aims at contributing to the realization of a methodology for the design, dimensioning, configuration and management of next-generation, multiservice IP networks, featuring advanced traffic control capabilities and QoS guarantees to the end users. To this end, TANGO will develop new modeling and optimization tools (both analytical and simulative). The availability of these tools will allow operators of both telecom and computer networking areas (carriers, companies, ISPs) to better design their networks, thanks to more advanced managing and configuration algorithms; also, these tools will provide remarkable advantages both in terms of cost and fee reductions, and in terms of a better user-perceived QoS.

TANGO will address multi-layer Internet networks, where the actual IP layer is supported by an MPLS (Multi Protocol Label Switching) layer, in its turn carried over a WDM optical infrastructure, with flexible wavelength allocation (GMPLS); furthermore, it will be assumed that the network employs DiffServ (Differentiated Services) policies at the IP layer: the Core Network will feature heterogeneous domains, managed by different providers, while the Edge Network will adopt different technologies, with an ever-growing use of wireless technologies.

The proposal is divided into four Work Packages (WP):
· WP1: Traffic control algorithms and protocols in next-generation IP networks
· WP2: Advanced models of IP traffic and their use in performance evaluation
· WP3: Optimization techniques in next-generation IP network planning and design
· WP4: Experimental testbed

Structuring the proposal into four WPs allows the clear identification of the main research activities of TANGO. The traffic control algorithms of the TCP/IP layers (such as the ones traditionally used in the Internet architecture) will be studied in WP1, its research trying to identify innovative algorithms that are well suited to the above outlined context. WP1 will also include activities aimed at identifying approaches to extend and unify traffic control functions in the MPLS and WDM layers. The traffic control algorithms thus identified will then be studied using analytical and simulative models within WP2. The results, in terms of QoS, will be used to set up optimization algorithms within WP3, with the goal of creating tools for IP networks design including refined traffic control algorithms. The experimental verification of the results obtained by analysys and simulation will be carried out through testbeds within WP4, although the role of the testbed will cover the whole project, allowing the testing and refining of proposals put forward by each research unit.

Special attention will be devoted to activities of coordination between the research units and dissemination of results from the research project. To this purpose, an international workshop on the project topics will be organized at the end of the project itself, and its proceedings will be published in english. Thus, the results from TANGO will attain widespread visibility, thanks to the external researchers attending the workshop, as well as to the proceedings,to be published by a prominent editor, as was done in previous research efforts on similar topics. Furthermore, the proposal of special issues of prestigious international magazines will be taken into consideration as a means to publish the most interesting results from TANGO.

1.4 Informazioni generali

1.4.1 Durata del Progetto di Ricerca	24 mesi
1.4.2 Mesi uomo complessivi dedicati al Progetto di Ricerca	436
1.4.3 Costo totale del Progetto (MLit)	4.135 (2135.55 KEuro)
1.4.4 Finanziamento richiesto (MLit)	2.405 (1242.08 KEuro)
1.4.5 Numero di contratti triennali per giovani ricercatori	7
Costo totale (MLit)	594 (306.78 KEuro)
1.4.6 Numero di contratti triennali per ricercatori di chiara fama	0
Costo totale (MLit)	0 (0.00 KEuro)

1.4.7 Numero delle Unità di Ricerca (UR) coinvolte	8
1.4.8 Quota % minima di partecipazione di una singola UR al costo totale della Proposta Progettuale	10

nº	Istituzione	Numero UR	Quota % complessiva di partecipazione delle UR al costo totale della Proposta Progettuale
1.	CNIT	5	59
2.	CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE (CNR)	1	10
3.	CONSORZIO PISA RICERCHE	1	10
4.	CORITEL	1	21
		8

1.4.11 Infrastrutture

Numero di Infrastrutture	0
Costo Totale (MLit)	0 (0.00 KEuro)
Disponibilità a stralciare e rimodulare le previsioni delle Infrastrutture in Presenza di un Progetto di Infrastrutture comuni ad uno o più Grandi Progetti Obiettivo

1.5 Soggetto Istituzionale contraente

Denominazione	Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni (CNIT)
Natura giuridica	Altri soggetti, con personalita' giuridica, pubbl. o priv.
Domicilio fiscale	Parco Area delle Scienze 181/A
CAP	43100	Città	Parma	Provincia	PARMA
Telefono	0521 905757	Fax	0521 905753	Email	direzione@cnit.it
Codice fiscale	9206700346	P.IVA	01938560347
Codice anagrafe ricerche	51778YXM

1.5.a Legale rappresentante

Cognome	PRATI	Nome	GIANCARLO	Data di Nascita	13/11/1946
Sesso	M	Codice Fiscale	PRTGCR46S13H501N	Luogo di Nascita	ROMA
		Provincia	ROMA	Nazione	ITALY

1.6 Parole chiave

1.	Progetto e gestione di reti IP
2.	IP su MPLS su WDM
3.	Modelli analitici e simulativi
4.	Tecniche di ottimizzazione
5.	Traffico autosimile
6.	Algoritmi di routing e scheduling

1.	IP network design and management
2.	IP over MPLS over WDM
3.	Analytical and simulation models
4.	Optimization techniques
5.	Self-similar traffic
6.	Routing and scheduling algorithms

1.7 Coordinatore scientifico della ricerca (Principal Investigator)

AJMONE MARSAN	MARCO GIUSEPPE	JMNMCG51E25L219W
(cognome)	(nome)	(CF)
Professore ordinario	ING-INF/03	25/05/1951
(qualifica)	(settore)	(data di nascita)
CNIT	UdR CNIT	Responsabile di attivita` di ricerca
(Istituzione di appartenenza) (art.5, c.1, DM citato)	(Dipartimento/Istituto/Divisione/Settore)	(posizione)
+390115644032	+390115644099	ajmone@polito.it
(prefisso e telefono)	(numero fax)	(indirizzo posta elettronica)

Referenze

nº	Cognome	Nome	Email	Istituzione
1.	Licciardi	Luigi	Luigi.Licciardi@TILAB.com	TILAB
2.	de Souza e Silva	Edmundo	edmundo@land.ufrj.br	University of Rio de Janeiro
3.	Pink	Stephen	steve@cs.arizona.edu	University of Arizona

1.8 Curriculum scientifico

Marco Ajmone Marsan e` Professore Ordinario presso il Dipartimento di Elettronica del Politecnico di Torino. Dopo la laurea in Ingegneria Elettronica presso il Politecnico di Torino ed un Master of Science in Electrical Engineering presso la University of California, Los Angeles (UCLA), e` stato presso il Politecnico di Torino, prima come Ricercatore, poi come Professore Associato, e Professore Straordinario presso l'Universita` di Milano. E` coautore di oltre 300 pubblicazioni su riviste e atti di conferenze nei settori delle reti di telecomunicazioni e della valutazione delle prestazioni, nonche` di due monografie. Ha ricevuto il premio per il miglior articolo presentato alla `Third International Conference on Distributed Computing Systems' tenutasi a Miami nel 1982. E` stato coordinatore di progetti di ricerca nazionali ed europei nel settore delle reti di telecomunicazioni. E` Fellow della IEEE e membro dell'Editorial Board delle IEEE/ACM Transactions on Networking.

Marco Ajmone Marsan is Full Professor at the Electronics Department of Politecnico di Torino, in Italy. He holds degrees in Electronic Engineering from Politecnico di Torino and University of California, Los Angeles (UCLA). He was at the Electronics Department of Politecnico di Torino, first as a Researcher, then as an Associate Professor, and later a Full Professor at the Computer Science Department of the University of Milan, in Italy. He has coauthored over 300 journal and conference papers in the areas of Communications and Computer Science, as well as two books. He received the best paper award at the Third International Conference on Distributed Computing Systems in Miami, Fla., in 1982. He has previously coordinated research programmes in the field of networking at both the national and European levels. M. Ajmone Marsan is a Fellow of the IEEE and a member of the Editorial Board of the IEEE/ACM Transactions on Networking.

1.9 Pubblicazioni scientifiche più significative del Coordinatore della Ricerca

nº	Pubblicazione
1.	E.LEONARDI; M.MELLIA; F.NERI; AJMONE MARSAN M. (2001). On the Stability of Input Queued Switches with Speedup* ACM/IEEE TRANSACTIONS ON NETWORKING. (vol. 9)*
2.	M.MEO; E.DE SOUZA E SILVA; AJMONE MARSAN M. (2001). A Method for Calculating Successive Approximate Solutions for a Class of Block Banded M/G/1 Type Markovian Models PERFORMANCE EVALUATION. (vol. 44 pp. 97-119)
3.	AJMONE MARSAN M.; R.GAETA; M.MEO (2001). Accurate Approximate Analysis of Cell-Based Switch Architectures* PERFORMANCE EVALUATION. (vol. 45 pp. 33-56)*
4.	AJMONE MARSAN M.; C.CASETTI; R.GAETA; M.MEO (2000). Performance Analysis of TCP Connections Sharing a Congested Internet Link PERFORMANCE EVALUATION. (vol. 42 pp. 109-127) Special Issue on Internet Performance Modeling.
5.	AJMONE MARSAN M.; A.BIANCO; E.LEONARDI; F.NERI; A.NUCCI (2000). Multihop Packet Scheduling in WDM/TDM Networks with Non-Negligible Transceiver Tuning Times IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS. (vol. 48 pp. 692-703)

1.9.a Titoli scientifici più significativi del Coordinatore della Ricerca

Marco Ajmone Marsan e` stato coordinatore nazionale di diversi progetti di ricerca sul tema delle reti di telecomunicazione; in particolare, gli ultimi due progetti da lui diretti sono stati svolti nell'ambito del Cofinanziamento MURST degli anni 1998 (MQOS) e 2000 (PLANET-IP), ed entrambi hanno avuto come obiettivo aspetti relativi alle tecniche dell'ingegneria del traffico.

Marco Ajmone Marsan e` stato inoltre coordinatore internazionale di un progetto della Commissione Europea (COPERNICUS-ATMIN), anche questo su temi legati alle tecniche dell'ingegneria del traffico.

Ha ricevuto il premio Bonavera dell'Accademia delle Scienze di Torino nel 1980, il 1982 Informatics Award da Sperry e CILEA, il premio per il miglior articolo presentato alla International Conference on Distributed Computing Systems, tenutasi nel 1982 a Fort Lauderdale, USA.

E` stato keynote speaker a IPCCC 1998, tenutosi a Phoenix, USA, e sara` keynote speaker ad ITC 17, che si terra` a Salvador de Bahia, Brasile, a dicembre 2001.

E` o e` stato membro degli editorial board di numerose riviste, tra cui: IEEE/ACM Transactions on Networking; Computer Networks; Optical Networks Magazine; Photonic Network Communications Journal; Wireless Communications and Mobile Computing Journal; Journal of High Speed Networks.

E` o e` stato membro dei comitati di programma di numerose conferenze, tra cui: SIGCOMM, INFOCOM, SIGMETRICS, Globecom, ICC, ITC.

E` o e` stato presidente dei comitati di programma di alcune conferenze, tra cui: Internet Performance Symposium 2001 e 2002, parte di IEEE Globecom.

E` o e` stato membro dei comitati tacnici di CSELT di Torino, CSITE di Bologna, Centro Supercalcolo di Torino, CSI di Torino, CNIT di Parma.

Marco Ajmone Marsan has served as the principal investigator of several national research projects in the field of networking; in particular, the two most recent projects that he led were funded by the Italian Ministry for University and Research, in the framework of Cofinanziamento 1998 (MQOS) and 2000 (PLANET-IP). Both such projects were aimed at research topics in the field of teletraffic engineering.

Marco Ajmone Marsan was the principal investigator of the international research project COPERNICUS-ATMIN, funded by the European Commission, and also centered on research topics in the field of teletraffic engineering.

He received the Bonavera award from the Academy of Sciences of Torino in 1980, the 1982 Informatics Award from Sperry and CILEA, the best paper award at the International Conference on Distributed Computing Systems, held in 1982 at Fort Lauderdale, USA.

He was the keynote speaker at IPCCC 1998, held in Phoenix, USA, and he will be a keynote speaker at ITC 17, that will gather in Salvador de Bahia, Brazil, in December 2001.

He is or was a member of the editorial board of a number of journals, including: IEEE/ACM Transactions on Networking; Computer Networks; Optical Networks Magazine; Photonic Network Communications Journal; Wireless Communications and Mobile Computing Journal; Journal of High Speed Networks.

He is or was a member of the technical program committees of a number of international conferences, including: SIGCOMM, INFOCOM, SIGMETRICS, Globecom, ICC, ITC.

He is or was the chairman of some international conferences, including: Internet Performance Symposium 2001 and 2002, part of IEEE Globecom.

He is or was a member of the technical committees of CSELT of Turin, CSITE of Bologna, Centro Supercalcolo di Torino, CSI of Turin, CNIT of Parma.

1.10 Elenco delle Unità di Ricerca (UR)

nº	Responsabile scientifico	Qualifica	Posizione	Settore sc. disc. di riferimento	Istituzione	Dip/Ist/Div/Sez	Mesi/uomo
1.	AJMONE MARSAN MARCO GIUSEPPE	Professore Ordinario	Responsabile di attivita` di ricerca	ING-INF/03	CNIT	UdR CNIT	54
2.	FERRO ERINA	Primo Ricercatore		ING-INF/03	Consiglio nazionale delle ricerche (CNR)	Istituto CNUCE/C.N.R.	36
3.	LISTANTI MARCO	Responsabile di Unità di Ricerca	Responsabile attività di ricerca	ING-INF/03	CORITEL	UdR Coritel	93
4.	BOLLA RAFFAELE	Ricercatore	Responsabile di attività di ricerca	ING-INF/03	CNIT	UdR Cnit	47
5.	CIULLI NICOLA	collaboratore	Responsabile di attività di ricerca	ING-INF/03	Consorzio Pisa Ricerche	Centro Meta	51
6.	LOMBARDO ALFIO	Professore Associato	Responsabile di attività di ricerca	ING-INF/03	CNIT	UdR CNIT	71
7.	GIORDANO STEFANO	Professore Associato	Responsabile di attività di ricerca	ING-INF/03	CNIT	UdR CNIT	36
8.	PATTAVINA ACHILLE	Professore Ordinario	Responsabile di attività di ricerca	ING-INF/03	CNIT	Unità di ricerca CNIT	48
							436

1.11 Breve descrizione delle Unità di Ricerca

Delle otto unità di ricerca di TANGO, cinque fanno capo al CNIT (Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni; sedi di Catania, Genova, Milano, Pisa, Torino), una al CNR (Istituto CNUCE), due a consorzi tra università ed industria (Coritel e CPR).

Le unità di ricerca che fanno capo al CNIT operano presso sedi universitarie e si avvalgono sia di personale dipendente dalle università che afferisce al CNIT, sia di personale assunto a termine dal CNIT (in parte tramite contratti di durata triennale, come specificato dal bando). Per la scelta delle sedi e dei ricercatori coinvolti, queste unità di ricerca sono in grado di conferire al progetto la gran parte delle competenze universitarie disponibili in Italia nel settore dell'ingegneria del traffico. Il contributo che queste sedi saranno in grado di dare alla ricerca consisterà in primo luogo nello sviluppo di aspetti teorici relativi ai modelli analitici e simulativi ed alle tecniche di ottimizzazione. Inoltre, queste sedi avranno il compito di produrre contributi propositivi per la parte sperimentale del progetto, la cui realizzazione non sarà però a loro carico.

Le tre unità di ricerca extrauniversitarie (CNUCE, Coritel, CPR) avranno soprattutto l'incarico di curare la parte sperimentale di TANGO, e quindi la espansione dei testbed già disponibili presso di loro, al fine di rendere possibili le sperimentazioni che sono previste in questa proposta. La scelta di coinvolgere queste sedi nel progetto è stata guidata primariamente dalla necessità di contenere i costi e quindi non sviluppare testbed ex-novo, ma utilizzare gli apparati sperimentali già acquisiti con precedenti progetti di ricerca, in parte finanziati dal MURST. Così facendo sarà possibile disporre di ambienti sperimentali di notevole sofisticazione a costi decisamente accettabili. Per la realizzazione dei testbed e per la loro gestione queste unità di ricerca impiegheranno in parte loro personale dipendente ed in parte personale assunto a termine utilizzando i finanziamenti di questo progetto; laddove possibile si farà ricorso a contratti triennali, come richiesto dal bando.

Out of the eight research units operating in TANGO, five are part of CNIT (the national interuniversity consortium for telecommunications; units of Catania, Genova, Milano, Pisa, Torino), one is part of CNR (CNUCE of Pisa), two of consortia between industry and academia (Coritel of Rome and CPR of Pisa).

The research units which are part of CNIT operate within university departments, and use both university staff which is affiliated with CNIT, and temporary employees (young researchers) of CNIT (in part employed though 3-year contracts, as specified by the call). Thanks to a carful selection of which groups and individuals to involve in TANGO, these research units will bring in the project the vast majority of the national academic expertise in the field of teletraffic engineering. The main contribution that is expected by these groups in TANGO consists mostly in theoretical results concerning analytic and simulation models as well as optimization techniques. In additions, these groups will produce proposals for the experimental part of the project, but will not have a major role in the development of experimental testbeds.

The three research units that operate outside the university environment (CNUCE, Coritel, CPR) will essentially have the task of developing the experimental testbeds of TANGO; hence, they will expand their existing experimental setups, so as to allow the experiments that are foreseen in this proposal. The choice of these three particular groups was mostly driven by the need to reduce the costs of experiments by not developing testbeds from scratch, rather exploiting the equipment acquired with previous research funding, partly though the same Ministry. By so doing, TANGO wil be able to use fairly sophisticated experimental setups with limited cost. For the realization of the experimental testbeds, and for the execution of experiments, these research groups will partly use their employees, and partly use young researchers employed on a temporary basis (3-year contracts) using the funding of this project, as required by the call.

1.12 Descrizione delle infrastrutture da realizzare

1.12.1 Collegamento funzionale con la Proposta Progettuale

1.12.2 Descrizione delle infrastrutture

nº	Descrizione	Ubicazione	Costo A (MLit)	Costo B (MLit)	Costo C (MLit)	Costo D (MLit)	Tempo di realizz. (anni)	Resp. Scientifici delle UR partecipanti

Legenda:

Costo A: Costo della progettazione (MLit)
Costo B: Costo delle aree (MLit)
Costo C: Costo delle opere civili (MLit)
Costo D: Costo dell'allestimento (MLit)

1.12.3 Rapporto con iniziative locali/regionali/nazionali/comunitarie/internazionali

1.12.4 Rapporto con Istituzioni pubbliche e private, Centri di ricerca, Parchi scientifici e tecnologici, Poli industriali, etc.

1.12.5 Costi e tempi di realizzazione

nº	Descrizione	Costo Totale (MLit)	Tempo di Realizzazione (anni)
		0 (0.00 KEuro)	0

Parte III "Le Attività di Ricerca"

3.1 Obiettivi scientifici della proposta Progettuale e risultati attesi

Nei primi anni novanta, Internet ha dovuto affrontare nuovi ed imprevisti sviluppi. La massiccia penetrazione nel mercato di massa di servizi basati sul World Wide Web ha portato, da un lato, ad un enorme aumento del volume di traffico, e dall'altro lato alla necessità di integrare diversi servizi di telecomunicazione ed applicazioni informatiche distribuite sull'architettura che era stata progettata per un utilizzo assai più limitato di Internet.

L'integrazione dei servizi in Internet è resa complessa dalla necessità di sviluppare nuove tecniche e strumenti per garantire che i diversi servizi erogati dalle reti siano forniti agli utenti con caratteristiche di Qualità di Servizio (QoS) adeguate alle aspettative, nonché nuovi approcci per la gestione delle reti, capaci di controllare il funzionamento sia degli algoritmi tradizionali di Internet, sia dei nuovi algoritmi per la fornitura di garanzie di QoS. L'incremento del volume di traffico genera congestione nella rete e rende oltremodo delicato il funzionamento degli algoritmi di gestione e degli algoritmi per la fornitura di garanzie di QoS.

Ciononostante, nella seconda metà degli anni novanta sono state proposte numerose soluzioni relative all'architettura, alla gestione ed al controllo di reti IP multiservizio. Ad oggi, la comunità scientifica sembra aver raggiunto un certo grado di consenso sui seguenti fondamentali aspetti architetturali e protocollari:
a. l'architettura di Internet è destinata ad evolvere verso una struttura multistrato, in cui lo strato protocollare IP vero e proprio è supportato da uno strato denominato MPLS (Multi Protocol Label Switching), che a sua volta poggia su una infrastruttura ottica WDM con gestione flessibile delle lunghezze d'onda (GMPLS);
b. i protocolli di Internet adotteranno politiche DiffServ (Differentiated Services) a livello IP in un contesto che nella parte interna della rete (Core Network) è caratterizzato dalla presenza di domìni eterogenei gestiti da differenti provider, mentre nella rete di accesso (Edge Network) prevede l'adozione di differenti tecnologie (con una utilizzazione crescente di tecnologie radiomobili).

Se, da un lato, l'architettura delle reti IP di nuova generazione è quindi già stata sufficientemente ben individuata, dall'altro, la comunità scientifica internazionale riconosce che un certo numero di importanti problemi, relativi agli aspetti di dimensionamento, gestione, configurazione e controllo delle reti IP di nuova generazione, è tuttora irrisolto. Tra i problemi aperti, questo progetto FIRB si focalizza in particolare sui seguenti due aspetti:
1. definizione di nuove metodologie di pianificazione, configurazione e controllo della rete che tengano conto delle caratteristiche di autosimilarità e di elevata correlazione temporale (Long Range Dependence - LRD) del traffico presente in Internet;
2. estensione delle procedure di gestione della rete e di controllo del traffico attualmente disponibili su Internet, ponendosi come obiettivo principale la riduzione delle limitazioni intrinseche del protocollo TCP mediante la gestione attiva dei nodi di rete (AQM - Active Queue Management), l'introduzione di meccanismi di controllo di ammissione dei flussi (CAC - Call Acceptance Control) e la definizione di algoritmi innovativi per il controllo della congestione.

Questo progetto FIRB si propone quindi di contribuire alle attività di ricerca in corso in ambito internazionale nei settori della modellistica di reti IP di nuova generazione e dello sviluppo di algoritmi per la gestione ed il controllo del traffico e della congestione. L'obiettivo è lo sviluppo di nuovi strumenti modellistici (analitici, di simulazione e di ottimizzazione) per il supporto di progetto, dimensionamento, configurazione e gestione di reti IP con garanzie di Qualità di Servizio (QoS) e con funzionalità di ingegneria del traffico. La disponibilità di questi strumenti permetterà agli operatori nel settore delle telecomunicazioni e dell'informatica (gestori, aziende, ISP) di progettare meglio le loro reti e di disporre di migliori algoritmi di gestione e configurazione, con notevoli vantaggi in termini sia di riduzione dei costi e delle tariffe, sia di miglioramento nella QoS percepita dagli utenti.

Gli obiettivi generali del presente progetto ed i risultati modellistici attesi, di interesse comune e trasversale a tutte le linee di ricerca, si possono riassumere nei seguenti punti:

a) Accurata descrizione del comportamento delle sorgenti di traffico più comunemente presenti in Internet, e formulazione di modelli semplici, ma nello stesso tempo precisi ed utilizzabili per la valutazione delle prestazioni ed il dimensionamento delle reti IP multiservizio. I modelli proposti saranno in grado di catturare le caratteristiche di correlazione temporale (Long Range Dependence) ed autosimilarità del traffico Internet rilevato da recenti studi sperimentali. I modelli di traffico verranno formulati per varie tipologie di flussi dati: traffico TCP, traffico UDP con caratteristiche real-time, traffico UDP adattativo, etc.

b) Nuove proposte e modelli di algoritmi per router DiffServ (metodi di gestione attiva delle code, algoritmi di scheduling, algoritmi di dropping guidati da misure di traffico, algoritmi di routing, etc), e valutazione dell'efficienza prestazionale di tali algoritmi in termini di ottimizzazione del throughput della rete e di garanzie di QoS. In particolare, verranno da un lato proposti modelli analitici e simulativi per algoritmi già comparsi in letteratura, e dall'altro lato verranno individuati ed opportunamente valutati nuovi algoritmi di gestione delle code e di scheduling del traffico. La presenza degli strati MPLS e WDM sotto la pila protocollare IP permetterà inoltre la definizione di algoritmi di scheduling e routing integrati e comuni ai vari strati, con una conseguente ottimizzazione delle prestazioni della rete IP multiservizio ed una corrispondente riduzione delle capacità dei nodi e link di rete necessarie in fase di dimensionamento per raggiungere specifici obiettivi di QoS.

c) Modelli ed estensioni dei meccanismi di controllo del traffico ai bordi della rete, e valutazione degli effetti delle discipline di scheduling e buffer management nei router sulla qualità di servizio end-to-end relativa al singolo flusso di traffico. Nel progetto verranno in particolare proposti nuovi modelli matematici ad "anello chiuso" in grado di tenere conto delle caratteristiche di reattività allo stato di congestione della rete, intrinseche nel protocollo TCP. In fase di valutazione delle prestazioni e dimensionamento, verranno considerate varie tipologie e combinazioni di traffico eterogeneo (includendo un'adeguata valutazione della fairness degli algoritmi proposti), e vari modelli di caratterizzazione del singolo flusso di traffico (in particolare, verranno considerati i modelli di cui al precedente punto a). Sulla base dello studio svolto, verranno proposte estensioni ai protocolli di trasporto della rete Internet, per migliorarne l'efficienza su reti a larga banda e/o wireless (satellite, GPRS, UMTS etc.).

Infine, parte integrante del presente progetto è la proposta di un piano di controllo integrato, comune tra i livelli IP, MPLS e WDM, e la realizzazione di testbed sperimentali. Questi ultimi permetteranno sia la verifica della qualità degli strumenti analitici e simulativi e delle strategie di controllo e di configurazione sviluppati, sia l'acquisizione di dati relativi al funzionamento degli algoritmi e delle architetture man mano considerati nel progetto, guidando il loro progressivo affinamento.

È importante sottolineare che le attività del progetto sono rivolte sia al piano di utente che al piano di controllo della rete IP. Ciò costituisce un elemento di completezza e di particolare novità del progetto, in quanto molte delle attività svolte a livello internazionale si concentrano soprattutto sul piano di utente, tralasciando alcuni aspetti relativi al piano di controllo, anche se questi rivestono un'importanza fondamentale per l'applicabilità delle proposte.

Questo progetto FIRB si affianca a due progetti del Cofinanziamento MURST 2000 (NEBULA e PLANET-IP), integrandoli e complementandoli. Ciò permetterà di aumentare la massa critica delle attività in questo settore, con benefici effetti sinergici su tutti i progetti, e di organizzare un gruppo di lavoro nazionale che comprenderà buona parte dei ricercatori attivi in Italia sulle tematiche dell'ingegneria del traffico. Inoltre, la preesistenza dei due progetti NEBULA e PLANET-IP permette di avere a disposizione, fin dall'inizio del progetto che qui si propone, due gruppi affiatati e abituati a collaborare, che stanno producendo importanti risultati che costituiranno i punti di partenza per le ricerche di questo progetto, e, soprattutto, testbed sperimentali già funzionanti che saranno ampliati ed estesi per raggiungere le finalità di questo progetto. Questa situazione appare particolarmente favorevole per la riuscita del progetto, offrendo garanzie sia in termini di coordinamento, sia in termini del raggiungimento dei risultati nell'arco di 24 mesi.

In the early 1990s, the Internet underwent interesting new developments. The diffusion on the mass market of services based on the World Wide Web led to an enormous increase in the volume of traffic, and raised the need to integrate various telecommunications services and distributed computing applications on an architecture that had been designed for much more limited use of the Internet.

The integration of services on the Internet is made difficult by the need to develop new techniques and tools to ensure that users of the various services offered by network are provided with Quality of Service (QoS) features that meet their expectations, as well as new approaches to network management that are capable of controlling the operations of both traditional Internet algorithms and new ones to supply QoS guarantees. The increase in the volume of traffic generates network congestion, and makes the functioning of management and QoS algorithms a delicate matter.

Despite this, in the mid to late 1990s, a number of solutions were proposed, concerning the architecture, management and control of multi-service IP networks. To date, the scientific community seems to have achieved a certain degree of agreement regarding the following basic aspects involving the Internet architecture and protocols:
a. the Internet architecture seems destined to evolve towards a multi-layer structure in which the actual IP layer is supported by a layer called MPLS (Multi Protocol Label Switching), which in turn rests on a WDM optical infrastructure with flexible wavelength management (GMPLS);
b. Internet protocols will adopt DiffServ (Differentiated Services) policies at the IP level, in a context featuring the presence of heterogeneous domains handled by different providers in the inner part of the network (Core Network), and the adoption of different technologies in the access network (Edge Network), with increasing use of mobile technologies.
Therefore, whereas on the one hand the architecture of new-generation IP networks has already been well identified, on the other the international scientific community recognises that a certain number of important problems relating to the dimensioning, management, configuration and control of future IP networks still need solving. Among the issues still remaining open, this FIRB project focuses on the following two aspects:
1. The definition of new methods for network planning, configuration and control, that take into account the self-similarity and Long Range Dependence (LRD) features of Internet traffic;
2. The extension of the network management and traffic control procedures currently available on the Internet, the main aim being to reduce the inherent limitations of the TCP protocol by active management of the network nodes (AQM - Active Queue Management), the introduction of flow admission control mechanisms (CAC - Call Acceptance Control), and the definition of new algorithms for congestion control.

The aim of this FIRB project is therefore to contribute towards research being conducted on an international level in the modelling of next-generation IP networks and the development of algorithms for the management and control of traffic and congestion. The aim is to develop new modelling tools (analytical, simulation-based and optimisation-based) to support the design, dimensioning, configuration and management of future IP networks with Quality of Service (QoS) guarantees and traffic engineering functions. When available, these tools will allow operators in the field of telecommunications and computing (operators, companies and ISPs) to better design their networks and will provide them with better management and configuration algorithms, with considerable advantages in terms of both reduction in costs and fees, as well as enhancements of the QoS perceived by end users.

The general aims of the project and the expected modelling results, which are of common interest across all the lines of research, can be summarised as follows:

a) An accurate description of the behaviour of the traffic sources most commonly present on the Internet, and the formulation of models that are simple, but at the same time accurate, and that can be used to evaluate the performance of multi-service IP networks. These models will be capable of capturing the Long Range Dependence and self-similarity features of Internet traffic detected in recent experimental studies. The traffic models will be formulated for various types of data flows: TCP traffic, real-time UDP traffic, adaptive UDP traffic, etc.

b) New proposals and models of algorithms for DiffServ routers (active queue management methods, scheduling algorithms, dropping algorithms guided by traffic measurements, routing algorithms, etc.), and evaluation of the performance-related effectiveness of these algorithms in terms of optimisation of network throughput and QoS. More specifically, the research will propose analytical and simulation-based models for algorithms that have already been presented in the literature, and also identify and evaluate new queue handling and traffic scheduling algorithms. The presence of the MPLS and WDM layers below the IP protocol stack will also allow for the definition of integrated scheduling and routing algorithms shared by the various layers, with consequent optimisation of the performance of the multi-service IP network and a reduction in the node and network link capacities required to reach specific QoS objectives.

c) Models and extensions of the traffic control mechanisms at the edges of the network, and evaluation of the effects of scheduling and buffer management disciplines in routers, on the end-to-end QoS for a single traffic flow. The project will propose new "closed-loop" mathematical models that can take into account the reactivity to network congestion that is inherent in the TCP protocol. In the performance evaluation and dimensioning phase, various types and combinations of heterogeneous traffic will be considered (including an adequate evaluation of the fairness of the proposed algorithms), along with various models characterising single traffic flows (more specifically, the models outlined in point (a) above). On the basis of the research results, the project will propose extensions to the Internet transport protocols to improve their efficiency on broadband and/or wireless networks (satellite, GPRS, UMTS etc.).

Finally, an integral part of the project is to propose a plan for integrated control common to the IP, MPLS and WDM layers, and to set up experimental testbeds. The latter will make it possible not only to verify the quality of the analytical and simulation-based tools and of the developed control and configuration strategies, but also to acquire data concerning the functioning of the various algorithms and architectures taken into consideration, and therefore progressively refine them.

It should be stressed that the research activity concerns both the user and control planes of the IP network. This element confers a degree of completeness and is a particularly innovative feature, as many of the research activities performed at the international level focus above all on the user plane, neglecting the control aspect, despite the fact that the latter is of fundamental importance for proposals to be applicable.

This FIRB project will cooperate with two projects co-funded by MURST 2000 (NEBULA and PLANET-IP), integrating and complementing them. This will make it possible to increase the critical mass of activities in the field, with beneficial synergic effects on all these projects, and to organise a national work group that will include most Italian academic researchers working on traffic engineering issues. In addition, the existence of the NEBULA and PLANET-IP projects implies that, from the very start of the project being proposed, it is possible to count on two research groups that are already internally collaborating, and that are producing significant results which will be the starting points for the research planned for this project; in addition and above all this project will be able to exploit operational experimental testbeds that will be integrated and extended to reach the aims of this project. Such situation seems to be particularly favourable for the success of the project, offering guarantees in terms of both co-ordination and achievement of results in a period of 24 months.

3.2 Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La descrizione della base di partenza scientifica nazionale ed internazionale e' organizzata come segue. Nella parte A, viene descritto lo scenario architetturale caratterizzante le reti Internet di nuova generazione, adottato come scenario di riferimento nel presente progetto. Nella parte B si riassume brevemente lo stato dell'arte nell'ambito della modellistica relativa all'autosimilarità del traffico Internet, ipotesi caratterizzante gli studi condotti nell'ambito del progetto. Nella parte C si introducono i numerosi problemi di controllo del traffico oggetto di studio nel presente progetto.

A. Scenario di riferimento architetturale

L'impressionante crescita di Internet avvenuta nell'ultimo decennio ha imposto un profondo ripensamento dei principi architetturali e tecnologici alla base dell'esistenza della rete stessa. È oramai assodato che la rete Internet di nuova generazione dovrà essere in grado di:
i) supportare un enorme aumento del volume di traffico, generato da un numero sempre crescente di utenti, potenziali fruitori di servizi a larga banda e multimediali;
ii) fornire servizi e funzioni scalabili, ed in particolare non critici in presenza di un aumento repentino del numero di utenti e del volume di traffico;
iii) integrare servizi ed applicazioni altamente eterogenei, caratterizzati da profili di traffico non comparabili (dalla messaggistica asincrona al video streaming in tempo reale), da modalità di comunicazione profondamente diverse (unicast vs multicast, comunicazione peer-to-peer vs content delivery networking, modelli "pull" vs "push", etc), con requisiti prestazionali completamente differenti;
iv) supportare un mercato variegato e multi-fornitore, in cui i dispositivi di accesso, comunicazione e routing hanno caratteristiche fisiche ed economiche profondamente differenti tra loro, e caratterizzato dal proliferare di soluzioni e protocolli in forte competizione tra loro (si pensi al mercato di soluzioni per telefonia su IP per un esempio);
v) svilupparsi secondo un approccio di tipo "evolutivo", in cui le nuove soluzioni sono introdotte in rete gradualmente ed in modo incrementale, rispetto ad un paradigma di tipo "rivoluzionario", caratterizzato da un momento di discontinuità temporale in cui una nuova soluzione viene imposta all'intera rete.

La recente storia delle soluzioni relative all'architettura, alla gestione ed al controllo di reti IP multiservizio insegna che le soluzioni oggi in auge sono quelle che meglio si sono sapute confrontare con i requisiti sopra elencati. È questo, in particolare, il caso del modello architetturale DiffServ (Differentiated Services [RFC2474, RFC2475]) proposto in ambito IETF per il supporto di Qualità di Servizio (QoS) su Internet. DiffServ emerge come risposta evolutiva e scalabile alla soluzione rivoluzionaria e non scalabile imposta dall'architettura IntServ (Integrated Services) e dal suo paradigma di allocazione esplicita delle risorse in rete (ReSerVation Protocol, RSVP).

Il modello DiffServ non fornisce classi di servizio con relativa QoS, ma specifica alcuni comportamenti ingresso-uscita per i nodi di rete e i domini amministrativi, chiamati Per Hop Behavior e Per Domain Behavior. Le tecniche specifiche (Packet Marking, Packet Conditioning, Shaping e Policing, scheduling intelligente, gestione attiva delle code, ecc.) con cui realizzare le specifiche di DiffServ sono lasciate dallo standard alla libera implementazione in regime concorrenziali, in modo da permettere al fornitore di servizi di "comporre" un servizio sfruttando opportune combinazioni di questi mattoni elementari e di posizionarsi sul mercato nel modo a lui più consono. Le tecniche di cui sopra, così come gli algoritmi di supporto per la loro implementazione sono oggetto di ricerca da parte della comunità scientifica internazionale.

Una analisi dettagliata del modello DiffServ mostra che esso non fornisce una soluzione univoca e completa ai problemi della qualità di servizio su Internet, ma fornisce, come detto, alcuni componenti che devono essere integrati da altri aspetti per rispondere alle esigenze di Qualità di Servizio in una rete IP di nuova generazione. Un grave limite dell'architettura DiffServ è l'assenza (voluta) di primitive di segnalazione e controllo di ammissione delle connessioni (tale argomento, dettagliato nella prossima sezione C, è oggetto di profonda discussione nella comunità scientifica). Metodi per il supporto di segnalazione e allocazione di risorse in uno scenario integrato DiffServ-IntServ sono proposti in [RFC2998]. Analogamente, DiffServ non impone un modello di gestione di rete, anche se l'attuale tendenza e` verso un modello di gestione basato sul concetto di "Policy" [RFC2753]. Si tenga infine presente che gli aspetti di QoS tra domini amministrativi diversi (inter-domain QoS) rappresentano un punto completamente aperto e hanno finora ricevuto pochissima attenzione (un interessante approccio si può trovare in [Pan00]).

La base architetturale di partenza relativa a questo progetto è ulteriormente arricchita dalla presenza, nella Internet di nuova generazione, di soluzioni innovative sottostanti lo strato IP. Per quanto riguarda gli aspetti di ingegneria del traffico, è infatti attualmente riconosciuto che la tecnologia MPLS (Multi Protocol Label Switching), sottostante la pila protocollare IP, può fornire un eccellente complemento al modello DiffServ [Lef01]. MPLS porta al livello IP la possibilità di instaurare circuiti virtuali, caratteristica che fino ad ora è stata prerogativa di altre tecnologie (in primis ATM). Ciò fornisce all'operatore di rete uno strumento potente e flessibile per l'esercizio della rete IP/MPLS (con caratteristiche di Traffic Engineering), e inoltre consente di arrichire il servizio offerto dalla rete al di là della semplice connettività best-effort (includendo p.es. QoS, Fault Protection, ecc.). D'altra parte, MPLS comporta l'esigenza di un piano di controllo avanzato per la rete IP/MPLS che non si riduca al routing (come nelle reti IP tradizionali). Lo standard di riferimento per questo piano di controllo è rappresentato oggi da MPLS-TE, il quale riusa, con opportune modifiche, diversi protocolli già definiti per il mondo IP (OSPF-TE, ISIS-TE, RSVP-TE, CR-LDP, etc.).

Un ulteriore elemento di novità dell'architettura della rete IP di nuova generazione è l'adozione di un'infrastruttura di trasporto basata essenzialmente su tecnologia ottica. Allo stato attuale, la tecnologia ottica Wavelength Division Multiplexing (WDM), oltre a mettere a disposizione link ad altissima capacità aggregata, che può superare anche il valore del Tbit/s, permette la realizzazione di uno strato ottico che comprende nodi (Optical Cross-Connect - OXC) che utilizzano il principio dell'instradamento su base lunghezze d'onda ed interconnessioni attivate in accordo a semplici topologie (es. anelli multipli). Lo strato ottico fornisce normalmente cammini ottici semi-permanenti per il supporto di flussi aggregati. Per la loro complementarità è naturale aspettarsi quindi che questi due mondi, IP e ottico, siano destinati ad un coordinamento sempre più stretto, se non proprio ad una integrazione. Nella prospettiva a breve e medio termine si prevede vincente il modello di trasporto di IP direttamente nel circuito ottico fornito dallo strato WDM.

Il traffico IP, per le sue caratteristiche di variabilità su scala sia temporale che spaziale, richiede una gestione flessibile e dinamica delle risorse di rete. In questo contesto, un aspetto chiave nell'evoluzione dello strato ottico è la possibilità di integrare aspetti di ingegneria del traffico in modo da raggiungere un adeguato livello di efficienza nell'uso delle risorse. Ne deriva la naturale idea di riutilizzare anche a livello ottico i protocolli già definiti per il mondo IP/MPLS, con le dovute modifiche ed estensioni. Un elemento di fortissimo interesse, ai fini del presente progetto, riguarda l'integrazione delle funzionalità di gestione del traffico (in particolare routing e scheduling) tra i diversi strati architetturali di una rete IP. L'integrazione del piano di controllo tra i vari strati protocollari comporta la possibilità di automatizzare in misura spinta l'esercizio della rete, e quindi diminuire i costi di gestione, grazie alla definizione di nuove e più potenti tecniche di ottimizzazione della ricerca dei cammini nei domini IP e ottico, di procedure di reazione ai guasti in rete, di funzionalità di autoinstradamento, attivazione automatica dei circuiti, protezione automatica, monitoring, etc.

In particolare la proposta di IETF e OIF (Optical Inteworking Forum) è quella di adottare lo standard GMPLS come piano comune dei due livelli, in una visione integrata (peer-model). GMPLS estende MPLS-TE e lo rende applicabile ad una rete eterogenea negli apparati (router, OXC, etc.) e nelle connessioni (LSPs, circuiti ottici, etc.). Nella prospettiva di un trasporto IP/MPLS over WDM con un controllo integrato dei due livelli (GMPLS) si rende necessario lo sviluppo di algoritmi e strategie che svolgano le funzioni sopra citate in un contesto di rete a più livelli. La definizione di questi algoritmi ha un impatto sostanziale sulle prestazioni di rete, in particolare per quanto riguarda le tematiche del routing e della protezione dai guasti (fault-protection). Scalabilità, efficienza di utilizzazione, overhead di segnalazione e tempi di risposta sono i fattori che fanno la differenza tra due diverse strategie di allocazione dei cammini e delle risorse.

B. Autosimilarità del traffico Internet

La scoperta che il traffico in una rete a pacchetto ha natura autosimile si può far risalire ad un lavoro di Leland, Taqqu, Willinger e Wilson, pubblicato nel 1993 [Lel93]. Tale articolo utilizza una vasta base di misure sperimentali (tracce del traffico su Ethernet) e ne analizza statisticamente il comportamento. Viene rivelata la natura self-similar del traffico su LAN; ovvero si dimostra che esso presenta le stesse caratteristiche statistiche su differenti scale temporali e quindi presenta un comportamento ben differente dai modelli Markoviani ereditati dal mondo telefonico. L'articolo ha avuto un profondo impatto sulla comunità scientifica [Pax95], in quanto, fino a quel momento, il traffico in rete era stato modellato come un processo di Poisson, e tutta la modellistica e l'analisi delle prestazioni di reti a pacchetto erano basate su tale ipotesi.

Successive ricerche hanno rivelato la presenza della self-similarity nel traffico ATM, in flussi video digitali e nel traffico Web. Parallelamente al progressivo affermarsi dell'idea, si sono indagate le cause di tale comportamento e si sono studiati gli effetti del traffico self-similar sulle prestazioni delle reti. In [Wil97] si è dimostrato che la sovrapposizione di flussi provenienti da sorgenti ON/OFF con periodi che hanno distribuzione heavy-tailed, presenta caratteristiche di self-similarity. Tali distribuzioni sono state riscontrate nel traffico reale e differenti giustificazioni di questo fatto sono state proposte, come ad esempio la distribuzione heavy-tailed della dimensione dei file e dei tempi di elaborazione delle informazioni da parte degli utenti (traffico Web) [Cro97], o la influenza dei meccanismi di controllo di TCP [Par96].

Dopo la scoperta della self-similarity del traffico Internet, particolare attenzione è stata data alla valutazione delle prestazioni, e soprattutto al degrado prestazionale che il traffico self-similar comporta rispetto ai modelli di valutazione che adottano ipotesi Markoviane. È stato facilmente dimostrato che le prestazioni della rete in presenza di traffico self-similar possono peggiorare in modo drammatico rispetto al caso di traffico Markoviano (maggiori ritardi e perdite di pacchetti), ed in particolare il degrado è maggiore al crescere della caratteristiche di autosimilarità del traffico. Studi quantitativi sono stati condotti per mostrare la dipendenza delle prestazioni da cambiamenti di capacità dei link e dei buffer [Par97], e per mostrare l'effetto di numerose versioni dei meccanismi di controllo della congestione e di ritrasmissione a bordo rete [Par97, Peh97] e delle relative scale temporali in gioco [Gro98].

Ad oggi, la sfida maggiore posta dalla self-similarity alla modellistica ed all'ingegneria del traffico è la necessità di trovare nuovi approcci modellistici per poter utilizzare, in modo semplice ma accurato, le informazioni sulla self-similarity del traffico nel dimensionamento e nella valutazione delle prestazioni di reti di comunicazione. Sebbene un certo numero di strumenti analitici e modellistici, originariamente non di competenza dell'ingegneria del traffico tradizionale, siano stati considerati o definiti ex-novo (Fractional Gaussian Noise [Pax97], stimatori di Abry-Veich [Rou99], Wavelet analysis [Abr98], Large Deviation, modelli caotici, ecc.), riteniamo che i margini di progresso nel settore dei modelli siano ancora massicci, e giustifichino la ricerca in corso.

C. Controllo del traffico in Internet

Lo studio di meccanismi di controllo della congestione in Internet è cominciato intorno alla metà degli anni '80, per rispondere alle prime forme di forte degrado delle prestazioni (congestion collapse). Sebbene il controllo della congestione nell'odierna Internet sia ancora sostanzialmente basato su algoritmi puramente end-to-end realizzati nelle diverse versioni del protocollo TCP (Tahoe, Reno, NewReno, etc.), è stato presto riconosciuto che tali meccanismi, da soli, sono insufficienti a garantire un adeguato controllo della congestione in rete. Verso la prima metà degli anni novanta, è stato compreso che il problema della congestione in Internet poteva essere risolto combinando i meccanismi di controllo di congestione a bordo rete, implementati nel protocollo TCP, con meccanismi di controllo del riempimento dei buffer interni ai nodi di rete. In [RFC2309] tali meccanismi sono stati genericamente chiamati con il nome "Active Queue Management" (AQM). Le tecniche AQM prevedono che il router possa gestire in modo attivo le code, effettuando uno scarto preventivo dei pacchetti prima che coda sul link di uscita del router saturi e porti a perdere una sequenza correlata di pacchetti. Tali meccanismi dovrebbero cooperare indirettamente con il protocollo TCP, evitando fenomeni di "lock-out" delle code causati dal loro riempimento totale [RFC2309] e fenomeni di sincronizzazione delle sorgenti, permettendo, in ultima analisi, di ottenere uno sfruttamento maggiore delle risorse e minori ritardi nelle code.

Tra le tecniche AQM, la prima proposta e la più studiata è RED (Random Early Detect) [Flo93]. Tale tecnica è stata successivamente riveduta ed estesa nelle versioni WRED (Weighted RED), RIO (RED with In and Out), FRED (Flow RED), ARED (Adaptive RED). RED prevede la possibilità di effettuare uno scarto preventivo dei pacchetti prima che si verifichi la congestione (coda del router satura), con una crescita lineare della probabilità di scarto tra due opportune soglie. Le performance del RED sono risultate fortemente dipendenti dai parametri di controllo [RFC2309], per la cui determinazione sono state trovate soluzioni euristiche; recentemente è stato proposto un controllo adattativo di tali parametri [Flo01]. [Hol01] individua i limiti di RED nel trade-off tra velocità di risposta e stabilità nell'accoppiamento diretto tra lunghezza della coda e probabilità di perdita, che penalizza doppiamente i flussi in caso di congestione, e propone nuovi controllori basati sulla teoria classica dei controlli. Tra le altre tecniche proposte per l'AQM, Blue [Fen99] impiega la percentuale di una probabilità di scarto e FPQ [Par97] ha come obiettivo mantenere l'occupazione delle code proporzionale al numero di flussi in modo da forzare le sorgenti TCP a trasmettere equamente in modo inversamente proporzionale al loro numero.

Parallelamente allo studio di meccanismi di controllo del traffico interni ai nodi di rete, la ricerca moderna si è rivolta verso le possibili modifiche e migliorie da apportare al protocollo TCP. Allo stato attuale, TCP è chiamato a garantire l'efficace e affidabile trasferimento dei dati di numerose tipologie di applicazioni, attraverso una grande varietà di collegamenti cablati (cavo e fibra) e via etere (ponti radio, link satellitari, radiomobile, etc.), alcuni caratterizzati da alti valori del prodotto banda-ritardo e bassa probabilità di perdita, altri soggetti a perdite di pacchetti dovuti alle cattive condizioni di propagazione. Tutti questi fattori hanno senza dubbio espanso il dominio per cui TCP era stato originariamente progettato e hanno determinato un proliferare di studi volti sia alla caratterizzazione del comportamento di TCP stesso (es. [Pad98]) che allo sviluppo di implementazioni alternative [Ban01,Flo00,Ger01]. In particolare, la comunità scientifica internazionale ha focalizzato l'attività di ricerca verso due direzioni complementari. In primo luogo, sono state proposte alternative al meccanismo di controllo della congestione implementato da TCP, basato sui principi di AIMD (Additive Increase Multiplicative Decrease) e di self-clocking per la gestione rispettivamente della dimensione e della dinamica di variazione della finestra di trasmissione. Le nuove proposte si differenziano principalmente rispetto a due parametri: la reattività e l'aggressività. La reattività è essenzialmente legata alla prontezza con cui il protocollo di trasporto reagisce a situazioni di perdita di pacchetti. L'aggressività fornisce una misura della velocità con cui il protocollo incrementa la finestra di trasmissione in assenza di perdita di pacchetti. A latere di ogni discussione rimane peraltro fermo il principio per cui ogni nuova versione di TCP deve rimanere compatibile e soprattutto friendly (ovvero non produrre fenomeni di accaparramento delle risorse in caso di competizione) rispetto alle versioni di TCP in uso corrente (sebbene la nozione di TCP-friendliness non sia ancora ben definita e rimanga oggetto di dispute ideologiche).

In secondo luogo, una adeguata valutazione delle caratteristiche del comportamento di TCP in presenza di reti di accesso radio, e dei conseguenti effetti di tali connessioni sulla rete fissa, risulta essere oggi fondamentale. È emblematico al riguardo osservare che il dimensionamento della Core Network dei sistemi UMTS di terza generazione, la quale secondo la release 5 2001 del Third Generation Partnership Project (3GPP) è completamente IP-based, è una sfida ancora irrisolta [Rob01]. Tale dorsale rappresenta un esempio tipico di supporto ad un'utenza multiservizio, destinato a trasportare un traffico le cui caratteristiche saranno pesantemente correlate all'ambito radio in cui esso viene generato o a cui è destinato. Specificatamente, TCP viene fortemente influenzato da degradazioni della qualità del collegamento e da eventuali asimmetrie dello stesso [CM01, Pad00]. Nel contesto radio ciò forza all'adozione di soluzioni particolarmente sofisticate per il livello fisico e per i protocolli dello strato di linea [Row00], le quali alterano pesantemente la richiesta di capacità trasmissiva sui link radio, così come i ritardi di consegna dei dati. Un terminale di utente che abbia in esecuzione più applicazioni che si appoggiano su TCP o UDP (sessioni http per WWW, Voice over IP e videofonia) offrirà pertanto un carico alla rete che non può prescindere dalla qualità del radiocollegamento; nel contempo percepirà un servizio strettamente dipendente da un corretto dimensionamento dell'intero percorso end-to-end, in cui ruoli distinti verranno giocati dalla rete radio di accesso e dalle dorsali. Lo studio del comportamento dei diversi protocolli a livello di linea e di trasporto, e la valutazione delle loro prestazioni in termini di throughput e ritardo, connessa ad un'adeguata conoscenza delle dinamiche del canale radiomobile fornisce alcuni tra i parametri più significativi per la caratterizzazione di flussi provenienti o destinati ai terminali radiomobili e destinati al trasporto sulla rete fissa.

Infine, un importante ed attualmente irrisolto problema di controllo del traffico è la definizione di algoritmi di controllo di ammissione delle connessioni (CAC). Tale problema è diventato particolarmente critico nel momento in cui, con l'avvento di servizi basati su UDP (IP telephony, Video over IP, Video Streaming, etc), una frazione non marginale del traffico Internet risulta essere composta da flussi UDP. L'assenza di meccanismi di controllo di congestione per il traffico UDP rende infatti necessario adottare tecniche in grado di limitare, in accesso, l'ammissione di nuovi flussi in rete. Che questo problema sia di importanza vitale per Internet, è assodato. [RFC2309] imputa a flussi non in grado o scarsamente in grado di reagire ad eventi di perdita di pacchetti dovuti a congestione (es. basati sul protocollo RTCP di controllo del traffico RTP), la possibilità di collasso della rete Internet (Internet Meltdown), specie considerando che tali flussi hanno un drammatico effetto sul throughput delle connessioni TCP con cui competono.

L'adozione dell'architettura DiffServ [RFC2474, RFC2475] aiuta solo parzialmente. Infatti Diffserv non prevede un meccanismo standardizzato di controllo di ammissione delle connessioni e pertanto non risolve intrinsecamente il problema del controllo del traffico in Internet. L'RFC [RFC2998] riconosce questo problema, ed evidenzia che: "further refinement of the QoS architecture is required to integrate DiffServ network services into an end-to-end service delivery model with the associated task of resource reservation". È altresì suggerita, nell'RFC [RFC2990], la definizione di una "admission control function which can determine whether to admit a service differentiated flow along the nominated network path".

La più recente ricerca nel settore del controllo di ammissione delle connessioni in Internet ha mostrato che il problema è composto da vari aspetti. In primo luogo è in atto una discussione architetturale su quale sia la soluzione di controllo di ammissione delle connessioni più adeguata all'architettura DiffServ. Sono state proposte soluzioni centralizzate o semi-centralizzate, basate su elementi di rete (Bandwidth Brokers) aventi il ruolo di assegnare banda a flussi di traffico (singoli o aggregati) offerti ad un dominio DiffServ. Dall'altro lato, è recente la proposta di soluzioni puramente distribuite (EAC - Endpoint Admission Control [Bre00,Kel00]), basate su misure effettuate a bordo rete. Soluzioni che integrano decisioni distribuite a bordo rete con meccanismi di misura interni ai nodi di rete sono state infine proposte, a partire da [Alm98], e sono in genere citate con il nome MBAC (Measurement Based Admission Control).

Un secondo aspetto importante nella ricerca sul CAC è legato alla definizione di modelli ed algoritmi adeguati che guidino le decisioni di ammissione. Occorre infatti identificare tecniche di controllo adatte ad operare su scale temporali diverse, su modelli di traffico più o meno aggregati e con obiettivi di ottimizzazione potenzialmente differenti (ad esempio, più o meno orientati ai bisogni diretti dell'utente o del gestore). In questo contesto, è necessario studiare il comportamento nelle varie situazioni di più algoritmi di ottimizzazione e controllo, come pure il coordinamento delle loro azioni. Poiché in molti casi la complessità del problema rende difficile, se non impossibile, un approccio di tipo funzionale in forma analitica (ossia la ricerca, in tale forma, delle leggi di controllo in funzione dell'informazione disponibile), la letteratura si è spesso orientata verso tecniche di ottimizzazione parametrica e tecniche derivanti dalla teoria dell'approssimazione (approssimatori neurali, Radial Basis Functions, etc), in aggiunta/alternativa spesso integrate con parti di simulazione. Nello specifico caso di CAC basato su misure, la bontà degli algoritmi di filtraggio adottati per ottenere informazione dall'attività di misura ricoprono un ruolo importante, e possono richiedere modelli estremamente complessi (es. [Gro99] per quanto riguarda MBAC, e [Kel00] per modelli applicabili a EAC).

This section is organized as follows. Part A describes the architectural aspects of next generation Internet, adopted as reference scenario for this project. Part B summarizes the key achievements regarding self-similar models for Internet traffic (the self-similarity of Internet traffic is a major key point driving the research activity within this project). Finally, Part C discusses the large number of traffic control issues which are object of thorough study within this project.

A. Reference architectural scenario

The impressive growth of the Internet we have witnessed in the last decade drove a radical rethinking of the architectural and technological foundations at the basis of Internet itself. There is widespread consensus on the capabilities that the next generation Internet must provide:
i) support an impressive increase of the traffic volume, generated by a fast growing number of customers, each one potential user of wide-band, multimedia services;
ii) offer scalable services and functions, i.e., services and functions devised so as not to be critical under a sudden increase of the number of customers and of the traffic volume;
iii) integrate highly heterogeneous services and applications, characterized by barely comparable traffic profiles (ranging from asynchronous messaging to real-time video streaming), by widely different communication modes (unicast vs multicast, peer-to-peer communication vs content delivery networking, "pull" vs "push" models, etc), and with completely different performance requirements;
iv) fit a multi-vendor, mass-market scenario, where different protocols and solutions compete (for instance imagine the IP-telephony market), and different access, transmission and routing devices are simultaneously deployed, despite their impressive heterogeneity in terms of physical characteristics, cost, and role in the network;
v) evolve according to an "evolutionary" paradigm, where new solutions are gradually and incrementally deployed in an increasing number of administrative domains; a very different scenario with respect to a "revolutionary" paradigm, where new solutions are imposed to the whole network at a given time instant, and all network devices need to upgrade.

The recent evolution of the architecture, management and control of multi-service IP networks shows that the solutions adopted presently are those that fit better the above requirements. In particular, the Differentiated Services (DiffServ [RFC2474, RFC2475]) architectural framework, proposed in the IETF for the provisioning of Quality of Service (QoS) over the Internet, gives a clear example. DiffServ emerges as a scalable and "evolutionary" answer to the non scalable and "revolutionary" approach imposed by Integrated Services (IntServ), and by its explicit network resource reservation paradigm (ReSerVation Protocol, RSVP).

The DiffServ framework, which serves as reference scenario for the present project, does not explicitly provide fixed service classes characterized by a predetermined QoS. On the contrary, DiffServ specifies some input-output behaviors for network elements, called Per Hop Behavior and Per Domain Behavior. The low-level tools for the implementation of the DiffServ behaviors (Packet Marking, Conditioning, Shaping and Policing, scheduling and active queue management solutions, etc.) are not covered by the standard, and left for competitive implementation, allowing the service provider to "compose" a service by suitably assembling and combining these elementary bricks. In the same time, every domain administrator is enabled to tune its domain performance to fit his customer demands. The above mentioned tools, as well as the supporting algorithms are the subject of great research efforts throughout the world.

A detailed analysis of the DiffServ framework shows that it does not provide a unique and complete solution to the problem of QoS provisioning over the Internet. Instead, as said above, DiffServ provides components that need to be integrated with additional features to satisfactorily respond to the problem of QoS support over the next generation Internet. A major drawback of the DiffServ framework is the (planned) lack of signaling and connection admission control primitives (how to endow DiffServ with admission control - see next part C for details - is a highly debated topic in the Internet research community). Techniques to provide signaling and resource reservation in an hybrid DiffServ-IntServ scenario have been proposed in [RFC2998]. Similarly, DiffServ does not standardize any network management model, although the actual trend is a management model based on the concept of "Policy" [RFC2753]. Finally, a fully open issue is the provisioning of QoS among different administrative domains ("inter-domain QoS"). This topic has received little attention to date: an interesting approach can be found in [Pan00].

The IP next generation architectural framework at the basis of this project is further enriched by the presence of innovative solutions underlying the IP layer. It is widely recognized that the Multi Protocol Label Switching (MPLS) technology, underlying the IP layer, provides an excellent complement to the DiffServ framework, when traffic engineering issues are pursued [Lef01]. MPLS enables the IP layer to set-up virtual circuits, a feature up to now limited to circuit-switched technologies (in primis ATM). The idea is to apply the label switching principle (label swapping) to IP packets. The network operator is thus given a powerful and flexible traffic engineering tool to manage the IP/MPLS network. Moreover, enriched services (e.g. QoS-aware, fault-protected, etc.) can be provided on top of IP/MPLS, beyond the bare best-effort connectivity. Indeed, MPLS requires an advanced control plane for the IP network, not limited to the simple routing function (as in traditional IP networks). The reference standard for such a control plane is, today, represented by MPLS-TE, which reuses, with suitable modifications, several protocols already defined for IP (OSPF-TE, ISIS-TE, RSVP-TE, CR-LDP, etc.).

An additional novel issue in the IP next generation architecture is the adoption of a transport infrastructure mostly based on optical technology. Today, Wavelength Division Multiplexing (WDM) links have an impressive aggregate throughput (up to more than a Tbit/s). Moreover, WDM allows the design of an optical layer including nodes (Optical Cross-Connect - OXC) which use routing techniques based on wavelength, and allow interconnections activated according to simple topologies (e.g. multiple rings). The optical layer generally provides semi-permanent optical paths for the support of aggregate traffic flows. Due to their complementarity, it is quite natural to expect that these two planes, IP and optical, are addressed toward a tighter coordination, if not toward a true integration. In a short and medium term perspective, it appears that the transport model that places IP directly on top of the optical circuit provided by the WDM layer (i.e. with no intermediate layers such as ATM-SDH/SONET) might be the winning one.

Owing to its bursty characteristics, on both a temporal and spatial scale, IP traffic requires a much more flexible and dynamic management of network resources. In this context, a key aspect of the optical layer evolution is the possibility to integrate traffic engineering functionalities, to reach a suitable level of efficiency in the usage of resources. It follows that a natural idea is to reuse (with the necessary modifications and extensions), at the optical layer, the protocols devised for the IP/MPLS environment. A very important issue in the present project concerns the integration of the traffic management functions (specifically, routing and scheduling) among the different architectural layers of an IP network. The control plane integration among the various protocol stacks allows the automation of network operations, thus reducing the operational costs thanks to the definition of new and more powerful optimization techniques to find paths in the IP and optical domains, as well as fault-protection techniques, self-routing capabilities, automated circuit restoration, network monitoring, etc.

Specifically, the joint IETF - OIF (Optical Inteworking Forum) proposal is to adopt the GMPLS standard as a common control plane for the two layers, in an integrated view (peer-model). GMPLS extends MPLS-TE and makes it applicable to a network composed of heterogeneous devices (router, OXC, etc.) and heterogeneous connections (LSPs, optical circuits, etc.). In the perspective of an IP/MPLS over WDM transport, with an integrated control of the two layers (GMPLS), new algorithms and strategies are necessary to extend the functions referred above to a multi-layer network context. The definition of these algorithms has a dramatic impact on the network performance, in particular concerning the issues of routing and fault-protection. Scalability, utilization efficiency, signaling overhead, and response time are the factors that make the difference between two different strageties to allocate paths and resources.

B. Self-similarity of Internet traffic

The unexpected discovery that traffic in packet networks shows self-similarity, originates from the work of Leland, Taqqu, Willinger e Wilson, which was first published in 1993 [Lel93]. In this paper, a wide base of experimental results (Ethernet traffic traces) are statistically analyzed. These traces prove the self-similar nature of LAN traffic; i.e. they prove that LAN traffic shows the same statistical characteristics over different time scales, and thus it presents a very different behavior with respect to the traffic models (Markov processes) traditionally used in traffic engineering for the telephone network. This discovery had a disruptive impact on the scientific community [Pax95], since, up to that moment, network traffic was modeled as a Poisson process, and most performance studies for packet networks were indeed based on such an hypothesis.

Subsequent studies have revealed the emergence of self-similarity in ATM traffic, in digital video flows, and in Web traffic. Parallel to the progressive experimental evidence of the presence of self-similarity in network traffic, several studies have attempted to explain why self-similarity arises, while other studies have attempted to account for self-similarity in the network performance evaluation. [Wil97] shows that the traffic aggregate given by the superposition of ON/OFF sources, whose activity and/or inactivity periods follow a heavy-tailed distribution, is self-similar. These distributions are normally found in real traffic, and several justifications have been given, for example the heavy-tailed distribution of file sizes; the heavy-tailed distribution of the time to process downloaded information (think time) for Web users [Cro97]; the effect of the congestion control mechanisms of TCP [Par96].

After the discovery of the self-similar nature of the Internet traffic, a large number of studies were devoted to performance evaluation, discovering the performance degradation that self-similar traffic induces with respect to performance evaluation models based on Markovian assumptions. It has been easily proven that dramatic network performance impairments may occur with self-similar traffic versus Markovian traffic (greater delays and higher packet loss ratios). In particular, the greater the burstiness of self-similar traffic (i.e., the greater the Hurst parameter), the greater the performance impairments. Quantitative studies have shown the relation between performance and variations of link capacities and buffer sizes [Par97], and have shown the effect of several different versions of congestion control and retransmission mechanisms adopted at the network edge [Par97, Peh97] and of the relevant temporal scales involved [Gro98].

As of today, the greatest challenge that self-similarity imposes to modeling and traffic engineering is the need for novel modeling approaches capable of utilizing, in a simple but accurate manner, quantitative information on traffic self-similarity for the purpose of carefully dimensioning and evaluating the performance of telecommunication networks. A certain number of analytical and modeling tools, not traditionally used in classical traffic engineering, have been considered or defined ex-novo (Fractional Gaussian Noise [Pax97], Abry-Veich estimators [Rou99], Wavelet analysis [Abr98], Large Deviation, chaotic models, etc). However, we argue that there is still plenty of margin for improvement in the models, and this fact fully justifies the proposed research.

C. Traffic Control in Internet

The study of control mechanisms for the Internet started in the '80s as a reaction to the occurrence of drastic performance degradation (congestion collapse). Today, the Internet congestion control mechanisms are based on the end-to-end algorithms implemented by the various versions of TCP (Tahoe, Reno, NewReno, etc.). These mechanisms alone appear to be inadequate to guarantee satisfactory congestion control of nowadays networks. Around the first half of the '90s, the idea emerged of solving network congestion by combining the congestion control techniques implemented by TCP with mechanisms of buffer occupancy control inside routers. In [RFC2309] these mechanisms were named "Active Queue Management" (AQM). AQM techniques rely on active management of the queues which prevent queue filling and packet losses by early discarding of packets. Such mechanisms should cooperate with TCP, so as to avoid queue lock-out due to buffer saturation and source synchronization [RFC2309]. As a result, larger resource utilization and smaller queueing delay can be achieved.

The first AQM proposal is RED (Random Early Detect) [Flo93]. More recent extended versions of RED are WRED (Weighted RED), RIO (RED with In and Out), FRED (Flow RED), ARED (Adaptive RED). According to RED, in order to prevent congestion, packets can be discarded before congestion occurs. The packet discard probability increases linearly between two threshold values. RED performance strongly depends on some control parameters [RFC2309]; some heuristic approaches were proposed for the parameters set up, and, recently, an adaptive control of the parameters was developed as well [Flo01]. [Hol01] identifies RED limitations in the trade-off between reactiveness on the one side and stability of the coupling of queue occupancy and loss probability, on the other side; [Hol01] also proposes new control schemes based on classical control theory. Other proposed AQM schemes are Blue [Fen99], which employs percentages of a given discard probability, and FPQ [Par97], which aims at keeping queue occupancy proportional to the number of flows, so that fairness is achieved between TCP sources.

Besides studying traffic control mechanisms inside routers, researchers focused also on improving TCP. TCP aims at guaranteeing effective and reliable data transfer. In today networks, TCP transports the traffic of a large number of different applications and operates on various technologies, employing both wired (cable and fiber) as well as wireless links; the first ones being characterized by large values of bandwidth-delay product and small values of loss probability, the other ones being prone to large packet loss probability due to bad propagation conditions. Thus, the set of TCP operation environments widened with respect to the original one, and a large number of studies were devoted to model TCP behavior (see, for example, [Pad98]) and to propose new TCP versions [Ban01, Flo00, Ger01]. In particular, the scientific community focused on two complementary aspects. On the one hand, some enhancements were proposed for the congestion control mechanisms, which are typically based on AIMD (Additive Increase Multiplicative Decrease) paradigm and on self-clocking for the transmission window size dynamics. The new proposals are mainly related with the TCP reactiveness to packet losses and to the TCP aggressiveness which measures the window size increase rate when no losses occur. All new TCP versions are expected to be compatible as well as friendly in sharing available resources with currently used versions of the protocol. (However, a widely acceptable definition of the notion of TCP-friendliness is still under discussion.) On the other hand, an adequate evaluation of TCP behavior in wireless access networks and, also, the effect of the wireless access on the wired network is extremely important. As a remarkable example, consider the UMTS core network dimensioning which, according to release 5 2001 of the Third Generation Partnership Project (3GPP) is completely IP-based [Rob01]. This multiservice network backbone is going to transport traffic whose characteristics will be strongly related to the wireless environment. In particular, TCP is very sensitive to the degradation and possible asymmetries of the propagation conditions of the wireless link [CM01, Pad00]. Some complex solutions for the physical layer and link layer protocols are therefore a must [Row00]; these solutions modify the required transmission capacity of the radio link as well as the data delivery delay. While the traffic generated by a terminal executing different applications using TCP or UDP (http sessions, Voice over IP, video conference) depends also on the quality of the radio link, the perceived quality of service depends on a proper dimensioning of the whole end-to-end connection, which relies on wireless access links as well as wired backbone. In order to characterize traffic flows generated by or directed to wireless terminals, the following aspects need to be investigated: the behavior of transport and link layer protocols, the protocols' performance in terms of throughput and delay, the dynamics of the radio channel.

Finally, the need for call admission control (CAC) algorithms is emerging as a crucial aspect of traffic control. In fact, due to the proliferation of new services based on UDP (IP telephony, Video over IP, Video Streaming, etc), a significant fraction of the traffic is currently transported by UDP. Since UDP does not implement any congestion control mechanism, call admission control algorithms are needed. [RFC2309] identifies as a possible cause of Internet meltdown the flows which are not able to react to packet loss events due to congestion; as an example, consider RTP/RTCP flows. These flows have also a drastic impact on the throughput of TCP connections which share the same links.

The adoption of the DiffServ architecture [RFC2474, RFC2475] is only a partial solution. In fact, Diffserv does not include any call admission control mechanism, and therefore does not solve Internet traffic control problems. [RFC2998] states that "further refinement of the QoS architecture is required to integrate DiffServ network services into an end-to-end service delivery model with the associated task of resource reservation". Also, [RFC2990] suggests the definition of an "admission control function which can determine whether to admit a service differentiated flow along the nominated network path". Recent research in this field shows that admission control in Internet involves different aspects. First, the admission control approach most suitable to the DiffServ architecture should be identified. Some centralized or semi-centralized solutions have been proposed. They are based on network elements (Bandwidth Brokers) which assign the bandwidth to flows or aggregates of flows offered to DiffServ domains. Some measurement-based distributed solutions have been proposed recently (EAC - Endpoint Admission Control [Bre00,Kel00]). Finally, some recent approaches ([Alm98] and other MBAC, Measurement Based Admission Control) integrate distributed decision mechanisms with measurements in the nodes.

A second aspect, crucial for CAC research, is the definition of models and algorithms for the admission decision. Control techniques should operate on different time scales, with different degrees of aggregation of traffic, and with various optimization targets (for example, aimed at satisfying user requirements rather than provider needs). Different optimization and control mechanisms should be studied, as well as their coordination. In this context, a functional approach, based on the derivation of control functions which depend on the available information, is typically infeasible. Therefore, some solutions were also proposed which employ parametric optimization techniques and approximation theory (neural approximation, Radial Basis Functions, etc), possibly integrated with simulation. In particular, measurement techniques for measurement-based CAC often require quite complex models (see for example, [Gro99] in the field of MBAC and [Kel00] for EAC).

3.2.a Riferimenti bibliografici

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3.3 Descrizione della Ricerca

Il progetto si articola in quattro Work Package (WP):
· WP1: Algoritmi e protocolli per il controllo del traffico in reti IP di nuova generazione
· WP2: Modelli avanzati per il traffico IP e loro uso nella valutazione delle prestazioni
· WP3: Tecniche di ottimizzazione per la pianificazione e la progettazione di reti IP di nuova generazione
· WP4: Testbed sperimentali.

La strutturazione del progetto nei quattro WP permette di considerare gli algoritmi di controllo del traffico propri dei livelli TCP-IP (quelli tradizionalmente utilizzati nell'architettura Internet) nell'ambito del WP1, che inoltre comprende anche le attività volte ad identificare approcci innovativi per estendere in modo unificato le funzionalità degli algoritmi di controllo del traffico propri dei livelli TCP-IP agli strati MPLS e WDM. Gli algoritmi di controllo del traffico identificati nell'ambito del WP1 vengono poi studiati mediante modelli analitici e simulativi nell'ambito del WP2. I risultati, in termini di QoS, sono usati per l'impostazione degli algoritmi di ottimizzazione nell'ambito del WP3, in modo da pervenire a strumenti per il progetto di reti IP che incorporano algoritmi di controllo sofisticati. La verifica sperimentale dei risultati ottenuti per via analitica e simulativa è svolta mediante testbed sperimentali nell'ambito del WP4, ma, come già detto, la funzione dei testbed si esplica durante tutto il progetto, permettendo di sperimentare ed affinare le proposte che vengono via via considerate dalle unità di ricerca.

Qualche maggior dettaglio sui contenuti dei diversi WP è fornito di seguito e ripreso nella descrizione di ogni WP, dove sono anche indicate le ulteriori articolazioni dei WP in attività di ricerca.

Il primo WP: "Algoritmi e protocolli per il controllo del traffico in reti IP di nuova generazione", si pone l'obiettivo di sviluppare algoritmi per il controllo del traffico in una rete IP multiservizio basata su architettura DiffServ, considerando sia l'area di accesso (edge) sia l'area di rete interna (core), esaminando le relative differenti problematiche di controllo del traffico. In particolare, verranno sviluppati algoritmi per risolvere i numerosi problemi di controllo del traffico posti dalla complessa architettura di rete IP considerata: i) verranno proposte e confrontate tra loro differenti soluzioni di controllo di ammissione del traffico; ii) verranno proposti approcci per il controllo di traffico sia all'interno dei domini di rete, sia nei punti di interconnessione (Edge Routers) tra domini eterogenei e/o tra questi e la rete di accesso; iii) verranno proposti nuovi algoritmi di controllo del traffico e della congestione su base end-to-end, sia congruenti con gli algoritmi di TCP, sia ad esso alternativi. Inoltre, Il WP1 si pone l'obiettivo di definire e sviluppare protocolli di instradamento (routing) e di segnalazione per una rete IP di nuova generazione, facendo riferimento ad un'architettura di rete a controllo unificato in cui un unico piano di controllo gestisce contemporaneamente i nodi di rete relativi agli strati IP, MPLS e WDM. Parte rilevante del WP è quindi anche la definizione e lo studio di metodologie di protezione e ripristino del traffico. Tali soluzioni necessitano di un opportuno set di protocolli di controllo che mettano in grado le entità di rete, a qualsiasi strato esse appartengano, di colloquiare tra loro per il conseguimento degli obiettivi prefissati.

È ormai generalmente riconosciuto che il traffico nelle reti a pacchetto (ed in particolare in quelle multiservizio) presenta caratteristiche autosimili (o frattali, o ancora di dipendenza di lungo periodo - Long Range Dependence - LRD), ma poco è stato fatto per considerare tali caratteristiche nell'ambito dei modelli analitici più comunemente usati per il progetto, il dimensionamento e la gestione di tali reti, che si rifanno alla teoria delle code e normalmente utilizzano approcci di tipo Markoviano. I pochi risultati disponibili hanno però mostrato come traffici autosimili possano indurre prestazioni molto peggiori di quelle che si possono prevedere mediante i modelli Markoviani tradizionali. Nell'ambito del WP2 "Modelli avanzati per il traffico Internet e loro uso nella valutazione delle prestazioni" verranno proposti e sviluppati modelli analitici e simulativi credibili ed efficaci per la valutazione delle prestazioni in termini di QoS percepita dall'utente finale (end-to-end QoS), avendo come obiettivo gli scenari e gli algoritmi per il controllo del traffico definiti nel WP 1. Si ritiene importante sottolineare come una parte importante di questo WP verrà dedicata alla modellizzazione di sorgenti TCP, facendo riferimento al loro comportamento sia in reti con accessi cablati sia in reti con accessi radiomobili.

Il WP3: "Algoritmi di ottimizzazione per la pianificazione e la progettazione di reti IP" si pone come obiettivo lo sviluppo di algoritmi di ottimizzazione efficienti che permettano di identificare configurazioni di rete ottime rispetto ad opportune metriche di qualità, supportando così il progetto di reti IP di nuova generazione. Lo scenario di riferimento per l'ottimizzazione sarà una rete IP multiservizio con architettura DiffServ, composta da più domini, che utilizza gli algoritmi per il controllo del traffico definiti nel WP 1. I modelli prestazionali su cui saranno basati gli algoritmi di ottimizzazione derivano da quelli ricavati nell'ambito del WP2. Particolare attenzione verrà posta alle tecniche di routing e di ottimizzazione per la protezione e il ripristino in caso di guasto.

La verifica sperimentale degli algoritmi definiti nel WP 1 e dei risultati ottenuti per via analitica o simulativa nell'ambito del WP 2 è demandata al WP4: "Testbed sperimentali", che si pone come obiettivo la realizzazione di testbed sperimentali su cui verificare: a) i protocolli di controllo del traffico definiti nel WP 1; b) le previsioni di QoS fornite dagli approcci analitici e simulativi, sviluppati nel WP2; c) i risultati degli algoritmi di ottimizzazione sviluppati nel WP3. È prevista la realizzazione di due testbed separati, uno orientato agli aspetti relativi alla QoS in reti IP, l'altro finalizzato alla sperimentazione di un'architettura di rete a controllo unificato in cui un unico piano di controllo gestisce contemporaneamente gli strati IP, MPLS e WDM.

L'obiettivo complessivo del progetto tende alla realizzazione di una metodologia di progetto, dimensionamento, configurazione e gestione per reti IP multiservizio di nuova generazione, con avanzate capacità di controllo del traffico e con garanzie di QoS per gli utenti finali. Per raggiungere questo traguardo molto ambizioso sono necessari alcuni risultati intermedi, che dovranno scaturire dai diversi WP, in particolare riguardo agli algoritmi di controllo del traffico, ai modelli analitici e simulativi ed alle tecniche di ottimizzazione.

Particolare attenzione sara` posta alle attivita` volte al coordinamento delle diverse unita` di ricerca ed alla diffusione dei risultati prodotti dal progetto di ricerca. Sono previste riunioni plenarie informali a meta` del primo e del secondo anno di attivita`; in tali occasioni si procedera` ad un esame approfondito dei risultati raggiunti, curando il trasferimento di informazioni tra gruppi di ricerca e tra WP. Alla fine del primo anno di attivita` sara` organizzata una riunione plenaria formale, con presentazioni orali e scritte in italiano dei principali risultati ottenuti fino a quel punto. Alla fine del secondo anno di attivita`, sara` organizzato un workshop internazionale aperto sui temi del progetto, con la pubblicazione di atti in lingua inglese. Cio` permettera` di dare la massima visibilita` ai risultati del progetto, grazie sia alla partecipazione al workshop di ricercatori esterni al progetto, sia alla diffusione degli atti del workshop, che saranno pubblicati da una primaria casa editrice, come e` gia` stato ottenuto nel caso di programmi di ricerca precedenti su temi affini. In aggiunta, si studiera` la possibilita` di organizzare numeri speciali di prestigiose riviste internazionali, dove pubblicare i migliori risultati del progetto.

Si desidera sottolineare il fatto che nell'articolazione del progetto in WP non si e` messa in evidenza l'attivita` di coordinamento in modo esplicito (p.es. con un WP0). Cio` non per dimenticanza o per una sottovalutazione del peso delle attivita` di coordinamento, ma perche` si e` scelto di non imputare i costi relativi al progetto, salvaguardando cosi` al massimo i contenuti di ricerca di base dello stesso. Il coordinamento generale del progetto sara` a carico dell'unita` di ricerca di Torino, mentre il coordinamento interno ai diversi WP sara` a carico dei rispettivi referenti scientifici.

The proposal is divided into four Work Packages (WP):

· WP1: Traffic control algorithms and protocols in next-generation IP networks
· WP2: Advanced models of IP traffic and their use in performance evaluation
· WP3: Optimization techniques in next-generation IP network planning and design
· WP4: Experimental testbed

Structuring the proposal into four WPs allows the clear identification of the main research activities of TANGO. The traffic control algorithms of the TCP/IP layers (such as the ones traditionally used in the Internet architecture) will be studied in WP1, its research trying to identify innovative algorithms that are well suited to the above outlined context. WP1 will also include activities aimed at identifying approaches to extend and unify traffic control functions in the MPLS and WDM layers. The traffic control algorithms thus identified will then be studied using analytical and simulative models within WP2. The results, in terms of QoS, will be used to set up optimization algorithms within WP3, with the goal of creating tools for IP networks design including refined traffic control algorithms. The experimental verification of the results obtained by analysis and simulation will be carried out through testbeds within WP4, although the role of the testbed will cover the whole project, allowing the testing and refining of proposals put forward by each research unit.

In the following, additional details on each WP are provided, along with the description of each WP and of the research activities it includes.

The first WP, "Traffic control algorithms and protocols in next-generation IP networks" aims at developing traffic control algorithms in a multiservice IP network based on the DiffServ architecture, considering both the edge and the core network, examining the different traffic control issues. In particular, algorithms will be proposed to solve traffic control issues that arise from the complex architecture of IP networks; specifically, proposals will include: i) different traffic admission control techniques will be compared; ii) traffic control approaches both within network domains, and in edge routers between heterogeneous domains and/or between them and the access network; iii) new control algorithms for traffic and end-to-end congestion control, both adhering to the TCP control paradigm, and different from it. Also, WP1 will aim at defining new routing and signalling protocols for next-generation IP networks, referring to a network architecture model with a unified control plane, in which only one control plane manages at the same time IP, MPLS and WDM layers. Thus, a large portion of the effort will be devoted to the definition and the study of protection and restoration methodologies. These solutions need a well-defined control protocol set which allows network entities, whichever layer they belong to, to communicate among them to reach the desired goals.

It is nowadays well-known that traffic in packet networks (and in particular in multi-service networks) exhibits self-similar properties (or multi-fractal, or Long Range Dependence LRD), but little has been developed to consider such behavior in analytical models commonly used during planning, design and management of such networks, based today on queueing theory and on Markovian approaches. The very few available results have indeed shown that LRD traffic could affect the performance predicted using tradition Markovian models. In the WP2 context, "Advanced models of IP traffic and their use in performance evaluation", efficient analytical and simulation models will be developed and studied to assess the QoS performance perceived by end users (end-to-end QoS). The scenarios and traffic control algorithms defined in WP1 will be taken as reference scenario. It is important to stress the fact that particular attention will be devoted to the study and modeling of TCP traffic, considering its behavior both in wired and wireless networks.

WP3: " Optimization techniques in next-generation IP network planning and design" has as main goal the development of efficient optimization algorithms that will allow the identification of optimal network configurations with respect to given quality parameters, in order to properly design next-generation networks. The main scenario for optimization will be a multi-service IP network with DiffServ support, build by different domains, which will adopt the traffic control algorithms developed and studied in WP1. The performance models at the core of the optimization procedure will be derived from the ones studied in WP2. Particular attention will be devoted to routing algorithms, while protection and restoration issues will also be considered.

The experimental verification of the algorithms defined in WP1 and of the result obtained either analytically or by simulation within WP2 is carried out in WP4: "Experimental Testbeds", whose goal is the realization of experimental testbeds on which to verify: a) the traffic control protocols defined in WP1; b) the QoS performance forecast by the analytical and simulation approaches developed in WP2; c) the results of the optimization algorithms developed in WP3. It is foreseen that two different testbeds will be built, the one mainly oriented to the study of QoS aspects in IP networks, the other aiming at testing a network architecture with a unified control plane, in which a single control plane manages IP, MPLS, WDM layers at the same time.

The overall goal of the project is to provide a methodology of planning, provisioning, configuration and management of IP networks which support different, next-generation services, with advanced traffic control capabilities and different support for QoS requirements for end users. To reach this ambitious goal, a number of intermediate results are expected, which will be obtained from the various WP, putting particular attention to traffic control algorithms, to analytical and simulation models and to optimization techniques.

Particular attention will be devoted to coordination activities among the different working units and to the dissemination of the results obtained during the research project activities. Plenary meetings are planned during the first and second year of the project, during which a deep and thorough verification of the obtained results will be performed, while an information exchange will be made possible among different research units and WPs. At the end of the first year of activities, a formal plenary meeting will be organized, during which oral and written presentations of the main results achieved up to that time will be performed in Italian. At the end of the second year of activities, an open, international workshop will be organized in English. This will result in high visibility for the project, regarding the achieved results, thanks both to the participation to the workshop of researchers not taking part to the project, and to the publication of workshop proceedings by an international publisher, as already successfully done during past research programs. Moreover, a particular effort will be spent trying to organize special issues of international leading journals, where the most interesting results of the project will be published.

It is important to observe that the project structure does not explicitly consider coordination activities (e.g. with a WP0). This is not due to an underestimation of the coordination task, rather, it reflects the choice of not charging the cost of the coordination activities to the project, whose aim must be purely basic research. The general coordination of the project will be performed by the research unit at Torino, while the internal coordination of the four WPs will be in the hands of the WP leaders.

3.3.1 Tabelle riassuntive dell'articolazione in workpackage (WP)
Tabella sinottica della distribuzione dei mesi/uomo per WP (mesi/uomo)

nº	Responsabile scientifico dell'UR	WP n. 1	WP n. 2	WP n. 3	WP n. 4	TOTALE
1.	AJMONE MARSAN MARCO GIUSEPPE	15	27	12	0	54
2.	FERRO ERINA	10	10	0	16	36
3.	LISTANTI MARCO	26	0	36	31	93
4.	BOLLA RAFFAELE	13	19	15	0	47
5.	CIULLI NICOLA	7	0	0	44	51
6.	LOMBARDO ALFIO	25	37	9	0	71
7.	GIORDANO STEFANO	3	12	7	14	36
8.	PATTAVINA ACHILLE	21	7	20	0	48
	TOTALE	120	112	99	105	436

Tabella sinottica della distribuzione dei costi complessivi per WP (MLit)

nº	Responsabile scientifico dell'UR	WP n. 1	WP n. 2	WP n. 3	WP n. 4	TOTALE
1.	AJMONE MARSAN MARCO GIUSEPPE	140 (72.30 KEuro)	233 (120.33 KEuro)	110 (56.81 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	483 (249.45 KEuro)
2.	FERRO ERINA	119 (61.46 KEuro)	119 (61.46 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	191 (98.64 KEuro)	429 (221.56 KEuro)
3.	LISTANTI MARCO	261 (134.80 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	301 (155.45 KEuro)	320 (165.27 KEuro)	882 (455.51 KEuro)
4.	BOLLA RAFFAELE	128 (66.11 KEuro)	180 (92.96 KEuro)	164 (84.70 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	472 (243.77 KEuro)
5.	CIULLI NICOLA	51 (26.34 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	344 (177.66 KEuro)	395 (204.00 KEuro)
6.	LOMBARDO ALFIO	202 (104.32 KEuro)	328 (169.40 KEuro)	86 (44.42 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	616 (318.14 KEuro)
7.	GIORDANO STEFANO	30 (15.49 KEuro)	125 (64.56 KEuro)	70 (36.15 KEuro)	204 (105.36 KEuro)	429 (221.56 KEuro)
8.	PATTAVINA ACHILLE	186 (96.06 KEuro)	63 (32.54 KEuro)	180 (92.96 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	429 (221.56 KEuro)
	TOTALE	1.117 (576.88 KEuro)	1.048 (541.25 KEuro)	911 (470.49 KEuro)	1.059 (546.93 KEuro)	4.135 (2135.55 KEuro)

3.3.2 Descrizione dettagliata dei WP secondo le attività individuate

Workpackage 1

Referente del Workpackage

Cognome	GIUSEPPE
Nome	BIANCHI
Qualifica	Professore associato
Ente di appartenenza	CNIT

Descrizione delle attività

Attività 1

Durata (mesi)	24
Durata (mesi/uomo)	35
Costo totale previsto	314 (162.17 KEuro)

Descrizione

Attività 1: Algoritmi per il controllo di ammissione delle connessioni

Scopo di questa attività è proporre e confrontare un ampio insieme di soluzioni di controllo di ammissione del traffico basate su differenti paradigmi protocollari: i) segnalazione esplicita dei parametri caratterizzanti le connessioni ai nodi di rete coinvolti; ii) segnalazione limitata ad un sottoinsieme di nodi di rete detti Bandwidth Brokers; iii) segnalazione puramente end-to-end, senza interazione esplicita con alcun nodo di rete. Da un punto di vista algoritmico, verranno confrontati a) approcci parametrici, che suppongono noto il modello stocastico del traffico offerto; b) approcci basati su misure del traffico aggregato interne ai nodi di rete; c) approcci basati su misure di traffico nei soli bandwidth brokers e/o nei soli border routers; d) approcci basati su misurazioni end-to-end indipendentemente fatte dai singoli flussi di traffico.

Task 1: Connection admission control algorithms

The goal of this task is to propose and compare a wide set of traffic admission control solutions, based of different design paradigms: i) explicit signalling exchange with the internal network nodes of the parameters characterizing the connections; ii) signalling exchange limited to a subset of network nodes (Bandwidth Brokers); iii) pure end-to-end signalling, with no explicit interaction with internal network nodes. From an algorithmic point of view, the following solutions will be compared: a) parametric approaches, which assume the stochastic model of the offered traffic to be known; b) approaches based on measures of the aggregate traffic in the internal nodes of network; c) approaches based on traffic measurements within the bandwidth brokers and/or the border routers; d) approaches based on end-to-end measurements, independently performed by each individual traffic flow.

Risultati attesi

Algoritmi e relative descrizioni formali.

Algorithms and their formal description.

Unità di ricerca impegnate e relativi compiti

nº	Responsabile scientifico	Mesi/uomo	Costo (ML)	Note
1.	AJMONE MARSAN MARCO GIUSEPPE	5	40 (20.66 KEuro)	Tecniche di ammissione di nuovi SLA e metodologie analitiche per la definizione di criteri di ammissibilita'.
2.	LISTANTI MARCO	5	52 (26.86 KEuro)	Confronto tra soluzioni di CAC basate su Bandwidth Brokers, e soluzioni basate su misurazioni di traffico.
3.	BOLLA RAFFAELE	6	60 (30.99 KEuro)	Algoritmi CAC per uno scenario DiffServ con Bandwidth Brokers gerarchici, basati su modelli di controllo parametrizzati e/o simulazioni in linea, ed applicabili in un contesto di traffico eterogeneo con differenti requisiti di qualità di servizio.
4.	LOMBARDO ALFIO	9	70 (36.15 KEuro)	Soluzioni CAC che integrano una segnalazione puramente end-to-end con decisori indipendenti, localizzati nei nodi interni della rete, e basati su misure di traffico aggregato. Proposta di algoritmi CAC basati su segnalazione end-to-end per traffico multimediale eterogeneo con bit-rate controllata tramite meccanismi di retroazione di sorgente.
5.	GIORDANO STEFANO	3	30 (15.49 KEuro)	algoritmi basati su misurazione di traffico ai border router, e relativa stima di carico sulla base di risultati della teoria delle large deviation.
6.	PATTAVINA ACHILLE	7	62 (32.02 KEuro)	Proposta di soluzioni di CAC basate su meccanismi di segnalazione tra utente/edge-router e Bandwidth Broker.
		35	314 (162.17 KEuro)

Attività 2

Durata (mesi)	24
Durata (mesi/uomo)	27
Costo totale previsto	253 (130.66 KEuro)

Descrizione

Attività 2: Algoritmi per il controllo del traffico inter- e intra-dominio di rete

Verranno proposti meccanismi di controllo di traffico, differenziati nei casi di edge/border router (algoritmi inter-dominio) e core router (algoritmi intra-dominio). In ambito intra-dominio, verranno studiate nuove tecniche di scheduling, routing e active queue management / packet dropping, considerando sia architetture puramente IP sia architetture IP su MPLS. In ambito inter-dominio, verranno proposti sia approcci per la specifica di SLS e SLA (Service Level Specification - Service Level Agreement), sia algoritmi di controllo run-time del traffico (Marking, Shaping, Conditioning, Policing), sia estensioni agli attuali algoritmi di routing inter-dominio.

Task 2: Inter-domain and intra-domain traffic control algorithms

Traffic control algorithms will be proposed for both edge/border routers (inter-domain algorithms) and core routers (intra-domain algorithms). New intra-domain scheduling, routing and active queue management / packet dropping techniques will be studied, for both pure IP and IP over MPLS architectures. Proposed inter-domain solutions will encompass SLS and SLA (Service Level Specification - Service Level Agreement) specification and control algorithms, run-time traffic control algorithms at border routers (Marking, Shaping, Conditioning, Policing), and improvements of the current inter-domain routing mechanisms.

Risultati attesi

Algoritmi e relative descrizioni formali.

Algorithms and their formal description.

Unità di ricerca impegnate e relativi compiti

nº	Responsabile scientifico	Mesi/uomo	Costo (ML)	Note
1.	AJMONE MARSAN MARCO GIUSEPPE	5	50 (25.82 KEuro)	Tecniche di scheduling, routing e active queue management e packet dropping. Studio di algoritmi di controllo run-time del traffico.
2.	LISTANTI MARCO	4	38 (19.63 KEuro)	Algoritmi scalabili per il controllo di risorse in ambiente multidominio; routing intradominio (estensioni a OSPF-TE) e inter-dominio (estensioni a BGP); Algoritmi di condivisione risorse nello strato MPLS.
3.	BOLLA RAFFAELE	6	60 (30.99 KEuro)	Algoritmi integrati per l’assegnazione dinamica delle risorse e l’instradamento con QoS inter e intra-dominio.
4.	LOMBARDO ALFIO	5	43 (22.21 KEuro)	Algoritmi adattativi di misurazione e predizione del traffico su core router; algoritmi di packet dropping guidati da misure di traffico; algoritmi AQM e di algoritmi basati su curve di servizio per la condivisione della banda e per il controllo del traffico in ambito intra- e inter-dominio.
5.	PATTAVINA ACHILLE	7	62 (32.02 KEuro)	Modelli per la definizione di flussi aggregati nella rete di accesso.
		27	253 (130.66 KEuro)

Attività 3

Durata (mesi)	24
Durata (mesi/uomo)	33
Costo totale previsto	320 (165.27 KEuro)

Descrizione

Attività 3: Algoritmi end-to-end per il controllo del traffico e della congestione

Verranno proposti e studiati nuovi algoritmi di controllo della congestione, sia per sorgenti TCP, giustificandone i vantaggi rispetto alle versioni TCP attualmente considerate (Reno-NewReno), che per sorgenti UDP adattative alle condizioni di congestione della rete. Le proposte verranno validate in termini di throughput, fairness, completion time, etc, evidenziando la compatibilità con le precedenti versioni di TCP (TCP friendliness) e le caratteristiche di robustezza in presenza di collegamenti ad elevato errore trasmissivo. Inoltre, verranno proposte tecniche di controllo della congestione particolarmente adatte a collegamenti radiomobili e satellitari, sia basate su paradigma puramente end-to-end che su indirezione mediante proxy in nodi interni alla rete (es. stazioni radiobase).

Task 3: End-to-end traffic and congestion control algorithms

New congestion control algorithms will be proposed and studied, either for TCP sources (highlighting the advantages with respect to current TCP versions - Reno/NewReno), as well as for UDP sources, assuming thay can be rate-adaptive according to the congestion status of the network. Proposed algorithms will be validated in terms of throughput, fairness, completion time, etc., paying special attention to their compatibility with previous TCP versions (TCP friendliness) and their robustness in presence of links with severe transmission error rates. Moreover, congestion control techniques particularly suited to radio and satellite links will be proposed. These solutions will be based on either pure end-to-end operation, or indirection by means of proxy nodes placed on top of network nodes (e.g. radio-base stations).

Risultati attesi

Algoritmi e relative descrizioni formali

Algorithms and their formal description.

Unità di ricerca impegnate e relativi compiti

nº	Responsabile scientifico	Mesi/uomo	Costo (ML)	Note
1.	AJMONE MARSAN MARCO GIUSEPPE	5	50 (25.82 KEuro)	Algoritmi per il controllo della congestione basati su stima della banda disponibile, sia per sorgenti TCP, che per sorgenti UDP adattative. Studio di tecniche di controllo della congestione per collegamenti radiomobili e satellitari.
2.	FERRO ERINA	10	119 (61.46 KEuro)	Algoritmi per il controllo end-to-end del traffico TCP quando trasmesso su canale ad elevato prodotto banda-ritardo, quale quello ottico, oppure quello satellitare, il quale, in aggiunta, può presentare una perdita casuale dei pacchetti dovuta ad un bit rate consistente.
3.	LOMBARDO ALFIO	11	89 (45.96 KEuro)	Algoritmi di Marking di TCP su DiffServ; Algoritmi per il controllo del bit-rate di sorgenti UDP adattative con il duplice obiettivo di massimizzare la fairness con flussi TCP che condividono gli stessi percorsi di rete, e di ottimizzare la qualita' percepita dall'utente a livello applicativo.
4.	PATTAVINA ACHILLE	7	62 (32.02 KEuro)	Algoritmi e procedure di controllo del traffico basate su misure puramente end-to-end.
		33	320 (165.27 KEuro)

Attività 4

Durata (mesi)	24
Durata (mesi/uomo)	25
Costo totale previsto	230 (118.79 KEuro)

Descrizione

Attività 4: Architettura e protocolli per il controllo integrato degli strati IP/MPLS e WDM

Questa attività è tesa a produrre una coppia di soluzioni architetturali per il piano di controllo integrato di a) una rete IP organizzata in domini DiffServ; b) una rete IP+MPLS con trasporto WDM. Nel primo caso si richiede la specifica architetturale di uno scenario di interlavoro tra vari protocolli di controllo legati ai servizi degli utenti e il modello DiffServ, al fine di automatizzare la creazione di Service Level Agreements (SLAs) tra gli utenti di servizi QoS e il provider dei servizi stessi. Tale scenario deve anche prevedere soluzioni di controllo per l'interazione automatica tra domini DiffServ amministrativamente eterogenei. Nel secondo caso sarà invece specificata un'architettura unica per i piani di controllo IP/MPLS/WDM, con lo scopo di automatizzare le richieste di servizio (creazione/abbattimento di connessioni) provenienti da sezioni di rete IP+MPLS "pure" (eventualmente basate su un controllo del traffico DiffServ, e il cui piano di controllo integra MPLS e DiffServ) verso regioni con trasporto WDM (interazione mediata da UNI). Il piano di controllo IP+MPLS-over-WDM offre anche vantaggi di maggior flessibilità e velocità nel routing/re-routing, nella protezione e nella restoration dei circuiti, nella rivelazione automatica di inserimenti e/o rimozioni di elementi di rete.

Task 4: Architecture and protocols for the integrated control of the IP, MPLS, WDM layers

The goal of this activity is to design architectural solutions for the integrated control plane of: a) a DiffServ IP networks composed of several domains; b) an IP+MPLS network on top of a WDM transport layer. In the first case, the architecture specification of an inter-working scenario will be provided, between various user service control planes and the DiffServ model. The goal is to automate the creation of Service Level Agreements (SLAs) between the customers of QoS-enabled services and the providers of the same services. Such scenario must also encompass solutions to manage the automatic interaction of heterogeneous DiffServ administrative domains. In the second case, an integrated and unique architecture will be envisioned to manage the IP, MPLS and WDM control planes, with the goal of automating the demands for service (connections set-up / tear-down) incoming from "pure" IP/MPLS network islands (possibly based on a control of the DiffServ traffic, and whose control plane integrates MPLS and DiffServ) towards regions with WDM transport (interaction mediated by UNI). The IP+MPLS-over-WDM integrated control plane offers also to advantages of a greater flexibility and speed in the routing/re-routing, in the protection and restoration of circuits, in the automatic detection of insertions and/or removals of network elements.

Risultati attesi

Modello di rete, architettura del piano di controllo, entità funzionali e interfacce.

Network model, architecture of the control plane, functional entities and interfaces.

Unità di ricerca impegnate e relativi compiti

nº	Responsabile scientifico	Mesi/uomo	Costo (ML)	Note
1.	LISTANTI MARCO	17	171 (88.31 KEuro)	Proposta di architetture e protocolli per il piano di controllo integrato IP/MPLS/WDM; interazione tra OSPF-TE e Constraint-Based Routing, Interazioni tra RSVP-TE e OSPF-TE.
2.	BOLLA RAFFAELE	1	8 (4.13 KEuro)	Contributo alla proposta di un piano di controllo integrato IP/MPLS/WDM.
3.	CIULLI NICOLA	7	51 (26.34 KEuro)	Proposta di un piano di controllo per rete IP DiffServ organizzata in domini eterogenei.
		25	230 (118.79 KEuro)

Workpackage 2

Referente del Workpackage

Cognome	ALFIO
Nome	LOMBARDO
Qualifica	Professore straordinario
Ente di appartenenza	CNIT

Descrizione delle attività

Attività 1

Durata (mesi)	18
Durata (mesi/uomo)	31
Costo totale previsto	296 (152.87 KEuro)

Descrizione

Attività 1: Modelli di flussi di traffico LRD ed autosimili

Verranno sviluppati modelli analitici per la rappresentazione di flussi di traffico con caratteristiche di autosimilarità, facendo riferimento sia al traffico generato da un singolo utente, sia ai flussi di traffico aggregato presenti nella rete di backbone. Si svilupperanno modelli analitici per la valutazione delle prestazioni di reti IP multiservizio caricate da traffico autosimile. Verranno considerati sia i casi di modelli esattamente autosimili, sia loro approssimazioni e saranno utlizzati modelli basati su approcci matematici non tradizionalmente di competenza dell'ingegneria del traffico (modelli caotici, wavelet analysis etc.)

Activity 1: LRD and self-similar traffic flow models.

Analytical models will be developed to represent traffic flows with self-similar features, with reference to both traffic generated by a single user and aggregate traffic on a backbone network. Analytical models will be developed to evaluate the performance of multi-service IP networks loaded with self-similar traffic. The models considered will be not only strictly self-similar but also approximations, and will be based on mathematical approaches that are not traditionally used in traffic engineering, with particular focus on chaotic models, wavelet analysis, etc.

Risultati attesi

Modelli analitici e relative tecniche di soluzione; stime di prestazioni, pubblicazioni scientifiche.

Analytical models and their solution techniques; performance estimates; scientific publications.

Unità di ricerca impegnate e relativi compiti

nº	Responsabile scientifico	Mesi/uomo	Costo (ML)	Note
1.	AJMONE MARSAN MARCO GIUSEPPE	5	40 (20.66 KEuro)	Studio di modelli analitici per la rappresentazione esatta e approssimata di flussi di traffico con caratteristiche di autosimilarità, facendo riferimento sia al traffico generato da un singolo utente, sia ai flussi di traffico aggregato presenti nella rete di backbone.
2.	BOLLA RAFFAELE	2	25 (12.91 KEuro)	Studio di modelli di traffico autosimile e LRD semplificati per l’uso specifico nelle tecniche di controllo e pianificazione sviluppate in altre attività.
3.	LOMBARDO ALFIO	5	43 (22.21 KEuro)	Modelli per la valutazione dell'autosimilarita' di traffico controllato in ammissione.
4.	GIORDANO STEFANO	12	125 (64.56 KEuro)	Definizione di modelli LRD e Self-similar di aggregati di traffico; caratterizzazione della dist. Marginale del processo corrispondente al bit rate del traffico.
5.	PATTAVINA ACHILLE	7	63 (32.54 KEuro)	Caratterizzazione del traffico IP multiservizio tramite modelli analitici ed empirici per il progetto di reti dorsali ottiche a pacchetto.
		31	296 (152.87 KEuro)

Attività 2

Durata (mesi)	18
Durata (mesi/uomo)	36
Costo totale previsto	355 (183.34 KEuro)

Descrizione

Attività 2: Modelli per la valutazione di prestazioni di flussi TCP

Verranno sviluppati modelli analitici del comportamento del protocollo TCP, con particolare attenzione a: i) modelli approssimati per la caratterizzazione di varianti del protocollo TCP; ii) modelli per la valutazione delle caratteristiche di autosimilarità di traffico TCP; iii) modelli per la valutazione delle prestazioni di TCP su collegamenti radio e satellitari; iv) modelli per la rappresentazione di flussi aggregati di traffico TCP.

Activity 2: Models for the evaluation of the performance of TCP flows.

Analytical models of the behaviour of the TCP protocol will be developed, with particular reference to: i) approximate models to characterise variations of the TCP protocol; ii) models for the evaluation of the self-similar features of TCP traffic; iii) models to evaluate TCP performance on radio and satellite links; iv) models to represent aggregate TCP traffic flows.

Risultati attesi

Modelli analitici e relative tecniche di soluzione; stime di prestazioni, pubblicazioni scientifiche

Analytical models and their solution techniques; performance estimates; scientific publications.

Unità di ricerca impegnate e relativi compiti

nº	Responsabile scientifico	Mesi/uomo	Costo (ML)	Note
1.	AJMONE MARSAN MARCO GIUSEPPE	15	130 (67.14 KEuro)	Modelli analitici del comportamento del protocollo TCP.
2.	FERRO ERINA	10	119 (61.46 KEuro)	Modelli analitici e simulativi per la valutazione delle prestazioni di flussi TCP su collegamenti wireless.
3.	BOLLA RAFFAELE	3	35 (18.08 KEuro)	Studio di modelli di TCP su interconnessioni radio in ambito rete d¹accesso e rete satellitare.
4.	LOMBARDO ALFIO	8	71 (36.67 KEuro)	Modelli markoviani di aggregati di flussi TCP per il calcolo delle prestazioni.
		36	355 (183.34 KEuro)

Attività 3

Durata (mesi)	18
Durata (mesi/uomo)	29
Costo totale previsto	251 (129.63 KEuro)

Descrizione

Attività 3: Modelli di controllo del traffico ad anello chiuso

Verranno proposti modelli matematici innovativi per lo studio degli algoritmi di controllo del traffico che operano ad anello chiuso; i modelli saranno capaci di catturare le caratteristiche di reattività allo stato di congestione della rete. Nel progetto verranno esplorate varie metodologie di modellistica, tra cui approssimazioni di tipo FPA (Fixed Point Approximation), modelli di controllo non lineari, modelli di decisori distribuiti che concorrono ad un obiettivo comune (team theory), modelli basati sulla teoria dei giochi, modelli basati sulla teoria classica del controllo.

Activity 3: Closed-loop traffic models

Innovative mathematical models will be proposed to investigate closed-loop traffic control algorithms that are capable of capturing reactivity to network congestion. Various modelling methods will be explored, including FPA (Fixed Point Approximation), non-linear control methods, team theory models in which distributed decision-makers work towards a common goal, models based on the theory of games, models based on classical control theory, etc.

Risultati attesi

Modelli analitici per la valutazione delle prestazioni di algoritmi ad anello chiuso, pubblicazioni scientifiche.

Analytical models and their solution techniques; performance estimates; scientific publications.

Unità di ricerca impegnate e relativi compiti

nº	Responsabile scientifico	Mesi/uomo	Costo (ML)	Note
1.	AJMONE MARSAN MARCO GIUSEPPE	7	63 (32.54 KEuro)	Modelli per lo studio degli algoritmi di controllo del traffico che operano ad anello chiuso.
2.	BOLLA RAFFAELE	7	60 (30.99 KEuro)	Modelli di controllo del traffico ad anello chiuso, in particolare per quanto concerne la loro integrazione in strategie di controllo decentralizzate.
3.	LOMBARDO ALFIO	15	128 (66.11 KEuro)	Modelli di sorgenti di traffico con retroazione end-to-end; modelli ad anello chiuso per admission control basato su misure di traffico.
		29	251 (129.63 KEuro)

Attività 4

Durata (mesi)	18
Durata (mesi/uomo)	16
Costo totale previsto	146 (75.40 KEuro)

Descrizione

Attività 4: Modelli per la simulazione di reti IP multiservizio

Verranno sviluppati algoritmi di simulazione di reti IP multiservizio caricate da traffico autosimile, avendo cura di sfruttare per quanto possibile le tecniche per la riduzione della varianza. I risultati ottenuti potranno essere utilizzati per validare i modelli analitici sviluppati nelle altre attivita' del WP2.

Activity 4: Models for the simulation of multi-service IP networks.

Algorithms will be developed to simulate multi-service IP networks loaded by self-similar traffic, exploiting techniques for variance reduction as far as possible. The results obtained will then be used to validate the analytical models developed in the other activities of WP2.

Risultati attesi

Modelli di simulazione; stime di prestazioni.

Simulation models; performance estimates.

Unità di ricerca impegnate e relativi compiti

nº	Responsabile scientifico	Mesi/uomo	Costo (ML)	Note
1.	BOLLA RAFFAELE	7	60 (30.99 KEuro)	Studio per lo sviluppo di simulatori basati su modelli semplificati per l’uso nel controllo, e per lo sviluppo di simulatori atti alla verifica degli algoritmi proposti.
2.	LOMBARDO ALFIO	9	86 (44.42 KEuro)	Piattaforma di simulazione di traffico integrato in ambiente DiffServ; piattaforma di simulazione per algoritmi di routing e scheduling in IP/MPLS.
		16	146 (75.40 KEuro)

Workpackage 3

Referente del Workpackage

Cognome	RAFFAELE
Nome	BOLLA
Qualifica	Ricercatore
Ente di appartenenza	CNIT

Descrizione delle attività

Attività 1

Durata (mesi)	18
Durata (mesi/uomo)	34
Costo totale previsto	335 (173.01 KEuro)

Descrizione

Attività 1: Tecniche di ottimizzazione per il progetto di reti IP multiservizio

Verranno studiate e sperimentate tecniche di ottimizzazione di vario tipo per il progetto di reti IP multiservizio caricate con sorgenti di tipo eterogeneo e traffico con caratteristiche autosimili. In particolare si considereranno sia approcci di ottimizzazione lineare, sia approcci di tipo euristico o metaeuristico (simulated annealing, tabu search, approcci genetici, approssimatori parametrici), sviluppando il software relativo agli algoritmi considerati. L'obiettivo è fornire strumenti che, nell'ambito di reti o parti di reti IP multiservizio, supportino ed agevolino le operazioni di progettazione, pianificazione e dimensionamento della rete. Le tecniche di ottimizzazione saranno basate sui modelli sviluppati nell'ambito del WP2 e considereranno anche l'utilizzazione delle architetture e delle tipologie di algoritmi di controllo previsti nel WP1.

Activity 1: Optimization techniques for multiservice IP networks design

Different types of optimization techniques will be studied and experimented for what concerns multiservice IP networks loaded with heterogeneous sources and self-similar traffic. In particular, both heuristic and meta-heuristic (simulated annealing, tabu search, genetic approach, parametric approximation) approaches will be considered, and the related software developed. The objective is to realize tools to support or simplify the design, planning and sizing of IP networks or sectors/elements of them. The optimization techniques will be based on the models developed in WP2, and they will also take into account the architectures and types of control algorithms developed in WP1.

Risultati attesi

Algoritmi di ottimizzazione con documentazione e software relativo.

Optimization algorithms with related documents and software.

Unità di ricerca impegnate e relativi compiti

nº	Responsabile scientifico	Mesi/uomo	Costo (ML)	Note
1.	AJMONE MARSAN MARCO GIUSEPPE	6	60 (30.99 KEuro)	Tecniche di ottimizzazione per il progetto di reti IP multiservizio basate su approcci euristici e metaeuristici, con software relativo.
2.	BOLLA RAFFAELE	9	99 (51.13 KEuro)	Tecniche di ottimizzazione con uso di approssimatori parametrici ed integrate con strumenti di simulazione per il dimensionamento di linee in presenza di topologie fissate.
3.	LOMBARDO ALFIO	9	86 (44.42 KEuro)	Tecniche di ottimizzazione della gestione del traffico per il dimensionamento di reti IP con garanzie di qualità di servizio.
4.	PATTAVINA ACHILLE	10	90 (46.48 KEuro)	Tecniche di ottimizzazione per il progetto di infrastrutture ottiche di trasporto per reti IP multiservizio.
		34	335 (173.01 KEuro)

Attività 2

Durata (mesi)	18
Durata (mesi/uomo)	65
Costo totale previsto	576 (297.48 KEuro)

Descrizione

Attività 2: Tecniche di routing e di ottimizzazione per la protezione e il ripristino in caso di guasto

Verranno studiate e sperimentate tecniche di ottimizzazione lineare intera, approcci euristici o facenti uso di approssimatori parametrici per la riconfigurazione ottima del routing nei diversi strati in una rete IP di nuova generazione a seguito di eventi di guasto o, in generale, di cambiamenti topologici.
Per quanto riguarda gli scenari di guasto, saranno considerati guasti sia delle risorse trasmissive, sia delle risorse di commutazione, tenendo inoltre in conto i riflessi sui protocolli del piano di controllo che le politiche di ripristino implicano. In particolare, si terrà anche conto di possibili interventi di ripristino a livello di connessione. Saranno inoltre affrontati i problemi relativi alla ricerca della soluzione ottima con la definizione di procedure euristiche orientate alla riduzione dello spazio delle soluzioni in modo da rendere possibile la soluzione di casi reali anche complessi.

Activity 2: Optimization and routing techniques for protection and recovery in fault situations.

The studies and the experimentations will concern linear integer optimization techniques and the heuristic and parametric optimization approaches for the optimal reconfigurations of routing in the different layers of a new generation IP network, with fault conditions or, in general, with topology changes. For what concerns fault scenarios, both transmission media and switching media faults will be considered, taking also into account the influence that the recovery policies have on the control plane protocols. Moreover, the problems related with the search for optimal solutions will be dealt with by defining heuristic procedures aimed to the reduction of the solution space, and to obtain feasible solutions also for real and complex situations.

Risultati attesi

Algoritmi di ottimizzazione con documentazione e software relativo.

Optimization algorithms with related documents and software.

Unità di ricerca impegnate e relativi compiti

nº	Responsabile scientifico	Mesi/uomo	Costo (ML)	Note
1.	AJMONE MARSAN MARCO GIUSEPPE	6	50 (25.82 KEuro)	Tecniche di ottimizzazione per il progetto di reti IP multiservizio soggette ad eventi di guasto.
2.	LISTANTI MARCO	36	301 (155.45 KEuro)	Formulazione lineare intera di problemi di ottimizzazione relativi all'instradamento ottimo di flussi IP in una architettura IP/MPLS/WDM. Le formulazioni consentiranno l'ottimizzazione congiunta degli instradamenti nei vari livelli, e terranno in conto gli aspetti di variabilità temporale del traffico.
3.	BOLLA RAFFAELE	6	65 (33.57 KEuro)	Tecniche di ottimizzazione tramite approssimatori parametrici per l’instradamento e il ripristino di connessioni a livello IP in caso di guasto.
4.	GIORDANO STEFANO	7	70 (36.15 KEuro)	Studio per via simulativa di tecniche di ottimizzazione degli instradamenti e di protezione e ripristino da condizioni di guasto.
5.	PATTAVINA ACHILLE	10	90 (46.48 KEuro)	Progetto di reti IP di nuova generazione con qualità del servizio, in presenza di guasti, mediante tecniche analitiche/euristiche
		65	576 (297.48 KEuro)

Workpackage 4

Referente del Workpackage

Cognome	MARCO
Nome	LISTANTI
Qualifica	Professore straordinario
Ente di appartenenza	CoRiTel/Università di Roma "La Sapienza"

Descrizione delle attività

Attività 1

Durata (mesi)	24
Durata (mesi/uomo)	13
Costo totale previsto	109 (56.29 KEuro)

Descrizione

Attività 1: Definizione delle specifiche del test-bed relativo all'emulazione del piano di controllo integrato

L'obiettivo generale di quest'attività è la definizione delle specifiche di un test-bed sperimentale che ha lo scopo di emulare il funzionamento del piano di controllo integrato di un'architettura IP/MPLS/WDM. La dimensione del test-bed sarà tale da evidenziare eventuali criticità operative delle soluzioni architetturali e protocollari adottate e per validarne l'efficacia in un contesto vicino alle condizioni reali di funzionamento. L'attività di realizzazione e sperimentazione del test-bed consentirà di: a) fornire un contributo alla definizione dei protocolli di segnalazione di un'architettura IP/MPLS/WDM; b) consentire una verifica sperimentale degli aspetti funzionali derivanti dal processo di integrazione con particolare riguardo alla gestione della dinamicità del traffico offerto dallo strato IP ed agli aspetti relativi alla QoS e alla riconfigurabilità della rete in caso di guasti dei collegamenti trasmissivi o dei nodi dello strato IP e/o ottico. Il piano di controllo sarà basato sui protocolli di instradamento e di segnalazione definiti nel mondo IP. In particolare verranno considerate le soluzioni attualmente in discussione per controllare in modo integrato i diversi livelli architetturali (Generalized-MPLS). Saranno emulate solo le funzionalità relative ad un singolo dominio amministrativo mentre non saranno considerate le funzionalità addizionali relative alla cooperazione tra domini diversi. Non saranno invece emulate le funzionalità del piano di trasporto. Nella definizione delle specifiche del test-bed saranno tenuti in conto i risultati che emergeranno dall'attività 4 del WP1.

Activity 1: Definition of the specifications of the test-bed on integrated control plane emulation

The main goal of this activity is the definition of the specifications of an experimental test-bed that aims at emulating the operation of an integrated control plane of an IP/MPLS/WDM network. The test-bed will be designed so as to allow testing possible critical elements of the investigated control architectures and protocols and validating their effectiveness in an environment near to the actual operating conditions. The experimental activity carried out on the test-bed will allow: a) to contribute to the definitions of the signaling protocols of an IP/MPLS/WDM architecture; b) to verify the functional aspects arising from the layer integration process, with particular reference to the dynamic handling of the IP offered traffic, the handling of different levels of QoS, the network reconfigurability in case of failures of transmission links and /or the IP, MPLS, WDM nodes.
The control plane will be based on routing and signaling protocols defined in the IP world. In particular, the solutions currently under investigation to implement an integrated control of the various layers of the architecture will be primarily considered (e.g. Generalized-MPLS). The test-bed will emulate only a single IP domain;
thus, the interworking between multiple administrative domains will not be considered. The transport plane, i.e. the actual IP flows, will not be implemented. The test-bed specification phase will be based on the outputs of Activity 4 of WP1.

Risultati attesi

Specifiche funzionali per il test bed sperimentale.

Functional specification of the test-bed.

Unità di ricerca impegnate e relativi compiti

nº	Responsabile scientifico	Mesi/uomo	Costo (ML)	Note
1.	LISTANTI MARCO	6	50 (25.82 KEuro)	Definizione degli obiettivi del test-bed. Definizione della struttura e dei singoli elementi del testbed. Specifica dettagliata dei protocolli da implementare (strati IP/MPLS/WDM). Definizione degli scenari di test e misura.
2.	CIULLI NICOLA	7	59 (30.47 KEuro)	Contributo sugli aspetti legati al livello MPLS. Specifica di una architettura di controllo/management MPLS+DiffServ basata sul ruolo centrale del Bandwidth Broker
		13	109 (56.29 KEuro)

Attività 2

Durata (mesi)	24
Durata (mesi/uomo)	13
Costo totale previsto	108 (55.78 KEuro)

Descrizione

Attività 2: Sviluppo e test del dimostratore relativo al piano di controllo integrato

A partire dalle specifiche funzionali sviluppate nell'attività 1, saranno implementati i moduli software relativi alle estensioni dei protocolli derivati da Internet, relativi all'instradamento (es. OSPF-TE) e alla segnalazione (es. RSVP-TE), per il supporto delle funzionalità di ingegneria del traffico. Sono previste due fasi:
1) Sviluppo e test delle funzionalità IP/MPLS - questa fase richiede l'integrazione e la configurazione di moduli software che realizzano i protocolli ora impiegati nel mondo Internet e la loro eventuale modifica ed integrazione con moduli software specificatamente realizzati; in particolare i moduli SW che si suppone di riutilizzare sono: a) i protocolli MPLS, CR-LDP ed RSVP-TE (disponibili per la piattaforma Linux); b) i protocolli OSPF estesi per il supprto di MPLS; c) il protocollo CSPF sarà analizzato in termini di paramteri da ottimizzare. In questa fase verranno anche considerati i protocolli per la gestione dell'ingegneria del traffico mediante Bandwidth Broker nello scenario MPLS/Diffserv.
2) Estensione dell'emulazione al controllo del dominio ottico; è prevista l'implementazione di protocolli estesi per il supporto delle specificità del controllo del piano ottico; un aspetto chiave in questo contesto è dato dalla definizione delle metriche da utilizzare per rendere efficiente l'instradamento su entrambi i livelli ottico/elettrico; è prevista l'estensione dei protocolli OSPF, CD-LDP /RSVP-TE.

Activity 2: Development and test of the test-bed on integrated control plane emulation

On the basis of the specifications provided by Activity 1, this activity is focused on the development of the software modules related to the extensions of the routing protocols (e.g. OSPF-TE) and the signaling protocols (e.g. RSVP-TE) for the support of traffic engineering. Two phases are foreseen:
1 - Development and test of the IP/MPLS functionality; this step requires the integration and the configuration of software modules implementing the protocols currently adopted in IP networks and, possibly, their modification and integration with new software modules specifically developed in this project; in particular, the SW modules that will be utilized are: i) MPLS, CR-LDP and RSV-TE (already available for the LINUX platform); ii) OSPF protocols extended for the support of MPLS; iii) the CSPF protocol will be analyzed in order to determine the parameters to be optimized. In this phase the protocols for the handling of the QoS aspects in a centralized scenario based on a Bandwidth Broker will be also considered.
2 - Extensions of the context to the control of an optical domain; it is foreseen that the protocols implemented in phase 1 (OSPF, CD-LDP/RSVP-TE) will be extended to include the functionalities needed for the control of the optical layer; a key aspect in this context is the definition of the metrics to be used to optimize the routing through the electrical and optical layers.

Risultati attesi

Dimostratore funzionante e verifica sperimentale delle soluzioni architetturali e degli algoritmi definiti in fase di studio.

Test-bed creation and experimental verification of the protocols, algorithms and policies defined in the investigation activities.

Unità di ricerca impegnate e relativi compiti

nº	Responsabile scientifico	Mesi/uomo	Costo (ML)	Note
1.	LISTANTI MARCO	2	27 (13.94 KEuro)	Sviluppo, integrazione e test dei moduli software dei protocolli OSPF, CD-LDP /RSVP-TE. Sviluppo, integrazione e test dei moduli software dei protocolli estesi al controllo dello strato WDM.
2.	CIULLI NICOLA	11	81 (41.83 KEuro)	Sviluppo, integrazione e test dei moduli software per i protocolli per la gestione dell'ingegneria del traffico mediante Bandwidth Broker nello scenario MPLS/Diffserv.
		13	108 (55.78 KEuro)

Attività 3

Durata (mesi)	24
Durata (mesi/uomo)	25
Costo totale previsto	240 (123.95 KEuro)

Descrizione

Attività 3: Definizione delle specifiche di un test bed relativo alla qualità di servizio in reti IP.

Lo scopo di questa attivita` è definire l'ambiente sperimentale e predisporre le specifiche generali dell'architettura del dimostratore relativo alla sperimentazione delle soluzioni relative alla gestione delle QoS in reti IP. La struttura del dimostratore e le soluzioni implementate saranno individuate sfruttando anche i risultati ottenuti nel WP1. In particolare, è previsto che lo sviluppo del dimostratore avvenga in passi successivi, realizzando inizialmente i dispositivi chiave che lo compongono e successivamente arricchendo le loro funzionalità sulla base degli sviluppi e alle indicazioni individuate nel WP1. In una prima fase, il test-bed sarà articolato in domini DiffServ non connessi, governati da politiche di controllo delle risorse individuali ed indipendenti. In una seconda fase, è prevista la sperimentazione delle soluzioni di interconnessione tra domini diversi e delle modalità di interlavoro tra le architetture di controllo, anche eterogenee, delle risorse dei singoli domini.

Activity 3: Definition of the specifications of the test-bed concerning QoS in IP networks

The goal of this activity is the definition of an experimental environment, and to provide the general specifications, of a test-bed implementing solutions related to the QoS handling in IP networks. The layout of the test-bed and the implemented solutions will be based on the results of WP1. In particular, the test-bed will be developed in successive phases. In a first phase, it is foreseen the development of some key elements (Bandwidth Broker, Edge and Core Routers, etc.), whereas in the successive steps their functionality will be extended or modified on the basis of the results of the theoretical studies carried out in WP1.
Initially, the test-bed will be composed of independent, not connected Diffserv Domains, possibly implementing different resource control policies. Successively, the aspects of interworking between different domains will be studied and implemented.

Risultati attesi

Specifiche funzionali e di dettaglio dell'architettura e degli elementi del dimostratore.

Functional specification of the test-bed and its elements.

Unità di ricerca impegnate e relativi compiti

nº	Responsabile scientifico	Mesi/uomo	Costo (ML)	Note
1.	LISTANTI MARCO	9	80 (41.32 KEuro)	Contributo alla definizione di: piattaforma HW e SW su cui realizzare gli elementi del test-bed; interfacce di comunicazione tra i router (edge router e core router) e elementi di gestione degli aspetti di qualità (es. Bandwidth Broker); specifica dei moduli dei piani di controllo e di gestione associati alla realizzazione della politica di controllo del traffico scelta.
2.	CIULLI NICOLA	9	80 (41.32 KEuro)	Contributo alla definizione di: specifica di un'architettura generica di interlavoro "X-DiffServ", tra piano di controllo DiffServ e piani di controllo di varie tecnologie "di accesso"; specifica delle modalità di colloquio tra domini DiffServ per la propagazione automatica dei Service Level Agreement; le interfacce di comunicazione tra i router (edge router e core router) e gli elementi di gestione degli aspetti di qualità (es. Bandwidth Broker).
3.	GIORDANO STEFANO	7	80 (41.32 KEuro)	Contributo alla definizione di: specifica dei moduli del piano d’utente relativi alla gestione delle funzioni di forwarding dei pacchetti (classifier, scheduling, policing, shaping); specifica dei protocolli di segnalazione per il colloquio tra gli elementi di rete.
		25	240 (123.95 KEuro)

Attività 4

Durata (mesi)	24
Durata (mesi/uomo)	54
Costo totale previsto	602 (310.91 KEuro)

Descrizione

Attività 4: Sviluppo e test del dimostratore relativo alla qualità di servizio in reti IP

Questa attività è orientata alla realizzazione degli elementi del test-bed, alla loro integrazione nel dimostratore ed a prove e misure di funzionalità. La realizzazione dei singoli elementi sarà effettuata mediante piattaforme commerciali opportunamente configurate ed integrate con lo sviluppo di moduli software dedicati. Lo scopo del dimostratore è arrivare ad una verifica funzionale delle soluzioni di controllo del traffico e di trattamento dei pacchetti IP studiate nel WP1 e specificate nella attvità 3 del WP4.
Alla fase di realizzazione dei singoli elementi seguiranno le fasi di integrazione e test e quella della misura sperimentale sugli apparati.
Le attività previste nella fase di integrazione e test sono:
- l'esecuzione dei test di funzionalità e l'integrazione dei moduli SW sulla stessa piattaforma hardware;
- la verifica funzionale degli apparati completi e delle funzionalità di colloquio tra apparati diversi;
L'attività di misura prevede l'esecuzione di campagne sperimentali per la caratterizzazione delle prestazioni delle soluzioni architetturali implementate. L'attività di misura si avvarrà anche, dove possibile, di apparecchiature già esistenti ed operative nell'ambito delle unità di ricerca partecipanti alla proposta. In particolare, potranno essere utilizzate strutture di rete fissa e di rete satellitare per realizzare un test-bed di reti etereogenee interconnesse.

Activity 4: Development and test of the test-bed concerning QoS in IP networks

This activity is subdivided in three phases: implementation, integration and test, and measurement. The first phase is focused on the implementation of the elements of the test-bed, on their integration and on the tests and measurements. The elements of the test-bed will be implemented by means of commercial platforms, properly configured and integrated with dedicated software modules. The goal of the test-bed is to provide an environment to experiment the resource control solutions and IP packet handling mechanisms studied in WP1 and specified in Activity 3 of this WP4.
The activities foreseen during the phases of integration and test are: i) execution of functionality tests and integration of the software modules on the real HW platforms; ii) functional verification of the complete equipment, and test of the communications among the elements of the test-bed.
The measurement activity is based on the execution of experimental campaigns for the characterization of the performance of the QoS support solutions. The measurement activity will be also carried out by using equipment and networks already available in the premises of the research units participating in the project. In particular, fixed and/or satellite network segments could be utilized to realize a more complex test-bed composed of heterogeneous interconnected networks.

Risultati attesi

Realizzazione del dimostratore e caratterizzazione sperimentale delle prestazioni delle soluzioni implementate nel test bed.

Test-bed creation and experimental verification of the protocols, algorithms and policies defined in the investigation activities.

Unità di ricerca impegnate e relativi compiti

nº	Responsabile scientifico	Mesi/uomo	Costo (ML)	Note
1.	FERRO ERINA	16	191 (98.64 KEuro)	Partecipazione alle attività di misura nei testbed realizzati.
2.	LISTANTI MARCO	14	163 (84.18 KEuro)	Contributo alla sviluppo, integrazione e test di Bandwidth Broker; Moduli software per i protocolli di segnalazione.
3.	CIULLI NICOLA	17	124 (64.04 KEuro)	Contributo a sviluppo, integrazione e test di: Bandwidth Broker); Unità di interlavoro "X-DiffServ" come definita nell'attività 3; Moduli sofware per i protocolli di colloquio tra domini DiffServ inteconnessi.
4.	GIORDANO STEFANO	7	124 (64.04 KEuro)	Contributo alla sviluppo, integrazione e test di: Moduli del piano d’utente (classifier, scheduling, policing, shaping); Moduli software per i protocolli di segnalazione.
		54	602 (310.91 KEuro)

3.4 Elementi per la valutazione globale dell'impatto dei risultati conseguiti nel contesto scientifico nazionale ed internazionale

La valutazione dell'impatto dei risultati di TANGO dovrebbe considerare prima di tutto la qualita` dei risultati scientifici, sia teorici che sperimentali, che saranno prodotti nel biennio. In secondo luogo dovrebbe essere valutato lo sforzo che verra` fatto per la loro diffusione nel contesto nazionale ed internazionale. Inoltre, dovrebbe anche essere presa in adeguata considerazione la utilizzabilita` dei risultati del progetto da parte delle aziende del settore a livello nazionale ed internazionale.

Per cio` che riguarda il primo aspetto, si fa osservare che TANGO prevede la partecipazione alle attivita` di ricerca dei principali esperti universitari nazionali nel settore dell'ingegneria del traffico e del dimensionamento di reti di telecomunicazione multiservizio. Cio` fornisce ampie garanzie rispetto alla possibilita` di ottenere risultati scientifici di ottimo livello. La qualita` dei risultati sara` indirettamente testimoniata dal livello delle riviste e dei congressi che accetteranno per la pubblicazione i risultati di TANGO. I congressi e le riviste maggiormente pertinenti e piu` prestigiosi nel settore di ricerca di TANGO sono pubblicati dalle associazioni IEEE ed ACM; un'altra rivista di grande prestigio nel settore e` Performance Evaluation. Vale la pena di osservare come la competizione per la pubblicazione dei risultati su riviste internazionali prestigiose o sugli atti dei piu` frequentati congressi internazionali in questo settore sia diventata tale da rendere una metrica assai significativa la qualita` della pubblicazione su cui saranno presentati i risultati raggiunti.

Per cio` che riguarda la diffusione dei risultati di TANGO, la previsione di un evento finale sotto forma di workshop internazionale aperto con atti in lingua inglese, pubblicati da una tra le oiu` prestigiose case editrici a livello internazionale dovrebbe fornire delle adeguate garanzie. Inoltre, la possibilita` di organizzare numeri specali di riviste con amplissima diffusione potra` ulteriormente garantire visibilita` ai risultati.

Riguardo all'ultimo aspetto, la continua collaborazione dei gruppi proponenti con aziende del settore a livello nazionale ed internazionale offre ampie garanzie sulla possibilita` di utilizzo dei risultati da parte degli operatori del settore.

The evaluation of the results produced by TANGO should first of all consider the quality of the scientific results, both theoretical and experimental, that will be obtained in the two-year time frame. Second, the impact of TANGO should be evaluated from the point of view of the visibility of its results at the national and international level. Third, the usability of the project results in the industrial context at the national and international level should also be considered.

As regards the first aspect, it should be noted that TANGO will gather the top academic experts in the field of teletraffic engineering and design and planning of multiservice telecommunication networks. This provides guarantees on the possibility of obtaining very good level scientific results. The quality of the research results will be indirectly measured by the level of the journals and conferences that will accept for publication the results of the research programme. It is worth mentioning that the highest quality conferences and journals in the field of the research programme are those of IEEE and ACM; a very high quality journal is also `Performance Evaluation'. It is worth observing how the competition to publish on the main international journals and the most relevant international congresses in this field has risen to such a high standard that it stands as a significant metric of the quality of the published results.

As regards the visibility of the results of TANGO, the organization of a final open international workshop with proceedings in English published by one of the most prestigious international printers should be a sufficient guarantee. In addition, the possible organization of special issues of journals with extremely high circulation can further provide visbility to the results of TANGO.

As regards the last item, the tradition of cooperation of the various groups that participate in TANGO with industries and operators of the telecommunications sector should furnish sufficient guarantees about the usability of the results outside academia.

Parte IV "Dati riassuntivi"

4.1 Riassunto Spese delle Unità di Ricerca

nº	Responsabile Scientifico (codice)	Spesa A (MLit)	Spesa B (MLit)	Spesa C (MLit)	Spesa D (MLit)	Spesa E (MLit)	Spesa F (MLit)	Spesa G (MLit)	TOTALE
1.	AJMONE MARSAN MARCO GIUSEPPE	145 (74.89 KEuro)	143 (73.85 KEuro)	92 (47.51 KEuro)	30 (15.49 KEuro)	68 (35.12 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	5 (2.58 KEuro)	483 (249.45 KEuro)
2.	FERRO ERINA	226 (116.72 KEuro)	136 (70.24 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	15 (7.75 KEuro)	45 (23.24 KEuro)	2 (1.03 KEuro)	5 (2.58 KEuro)	429 (221.56 KEuro)
3.	LISTANTI MARCO	408 (210.71 KEuro)	312 (161.13 KEuro)	113 (58.36 KEuro)	44 (22.72 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	5 (2.58 KEuro)	882 (455.51 KEuro)
4.	BOLLA RAFFAELE	173 (89.35 KEuro)	142 (73.34 KEuro)	65 (33.57 KEuro)	21 (10.85 KEuro)	36 (18.59 KEuro)	30 (15.49 KEuro)	5 (2.58 KEuro)	472 (243.77 KEuro)
5.	CIULLI NICOLA	146 (75.40 KEuro)	135 (69.72 KEuro)	80 (41.32 KEuro)	14 (7.23 KEuro)	20 (10.33 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	395 (204.00 KEuro)
6.	LOMBARDO ALFIO	289 (149.26 KEuro)	212 (109.49 KEuro)	64 (33.05 KEuro)	24 (12.39 KEuro)	22 (11.36 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	5 (2.58 KEuro)	616 (318.14 KEuro)
7.	GIORDANO STEFANO	127 (65.59 KEuro)	148 (76.44 KEuro)	120 (61.97 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	34 (17.56 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	429 (221.56 KEuro)
8.	PATTAVINA ACHILLE	149 (76.95 KEuro)	125 (64.56 KEuro)	60 (30.99 KEuro)	27 (13.94 KEuro)	64 (33.05 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	4 (2.07 KEuro)	429 (221.56 KEuro)
		1663 (858.87 KEuro)	1353 (698.77 KEuro)	594 (306.78 KEuro)	175 (90.38 KEuro)	289 (149.26 KEuro)	32 (16.53 KEuro)	29 (14.98 KEuro)	4135 (2135.55 KEuro)

Legenda Voce di spesa (DM. 199 Ric. del 08/03/01; art.6, c.6):

Spesa A: Spese di personale (*)
Spesa B: Spese generali direttamente imputabili all'attività di ricerca nella misura forfettizzata del 60% del costo del personale (compreso quello relativo ai ricercatori)
Spesa C: Spese per giovani ricercatori e ricercatori di chiara fama internazionale
Spesa D: Spese per l'acquisizione di strumentazioni, attrezzature e prodotti software, limitatamente alle quote impiegate per lo svolgimento dell'attività oggetto del progetto
Spesa E: Spese per stages e missioni all'estero di ricercatori coinvolti nel progetto
Spesa F: Costo dei servizi di consulenza e simili utilizzati per l'attività di ricerca
Spesa G: Altri costi di esercizio (ad es. costo dei materiali, delle forniture e dei prodotti analoghi) direttamente imputabili all'attività di ricerca

4.2 Costo complessivo della Proposta Progettuale risorse disponibili

nº	Responsabile Scientifico (codice)	RD+RA (MLit)	Risorse finanziarie richieste al MIUR (MLit)	Giovani ricercatori e ricercatori di chiara fama internazionale	Costo totale della proposta progettuale (MLit)
1.	AJMONE MARSAN MARCO GIUSEPPE	133 (68.69 KEuro)	258 (133.25 KEuro)	92 (47.51 KEuro)	483 (249.45 KEuro)
2.	FERRO ERINA	129 (66.62 KEuro)	300 (154.94 KEuro)	0 (0.00 KEuro)	429 (221.56 KEuro)
3.	LISTANTI MARCO	232 (119.82 KEuro)	537 (277.34 KEuro)	113 (58.36 KEuro)	882 (455.51 KEuro)
4.	BOLLA RAFFAELE	123 (63.52 KEuro)	284 (146.67 KEuro)	65 (33.57 KEuro)	472 (243.77 KEuro)
5.	CIULLI NICOLA	95 (49.06 KEuro)	220 (113.62 KEuro)	80 (41.32 KEuro)	395 (204.00 KEuro)
6.	LOMBARDO ALFIO	166 (85.73 KEuro)	386 (199.35 KEuro)	64 (33.05 KEuro)	616 (318.14 KEuro)
7.	GIORDANO STEFANO	129 (66.62 KEuro)	180 (92.96 KEuro)	120 (61.97 KEuro)	429 (221.56 KEuro)
8.	PATTAVINA ACHILLE	129 (66.62 KEuro)	240 (123.95 KEuro)	60 (30.99 KEuro)	429 (221.56 KEuro)
		1136 (586.70 KEuro)	2405 (1242.08 KEuro)	594 (306.78 KEuro)	4135 (2135.55 KEuro)

	MLit
Costo complessivo della Proposta Progettuale	4135 (2135.55 KEuro)
Risorse complessivamente disponibili all'atto della domanda (RD)	904 (466.88 KEuro)
Risorse complessivamente acquisibili (RA)	232 (119.82 KEuro)
Risorse totali (RD+RA)	1136 (586.70 KEuro)
Risorse finanziarie complessive richieste al MIUR	2405 (1242.08 KEuro)
Giovani ricercatori e ricercatori di chiara fama internazionale	594 (306.78 KEuro)

4.3 Costo minimo per garantire la possibilità di verifica dei risultati


(MLit)3.500 (1807.60 KEuro)

Si ricorda che la somma di risorse disponibili (o acquisibili) deve essere non inferiore al 30% del costo totale ammissibile del progetto, detratti i costi dei contratti triennali per giovani ricercatori e per ricercatori di chiara fama, che sono finanziati al 100%.

(per la copia da inviare per raccomandata o da consegnare all'accettazione del MIUR e per l'assenso alla diffusione via Internet delle informazioni riguardanti i progetti finanziati e la loro elaborazione necessaria alle valutazioni; legge del 31.12.96 n°675 sulla "Tutela dei dati personali")

Certifico, sotto la mia personale responsabilità, di aver ottenuto regolare autorizzazione dal rappresentante legale dell'ente di mia appartenenza, nonchè degli enti di tutte le altre Unità di Ricerca.

Firma del Coordinatore .............................

Firma del Rappresentante legale .............................

Data 15/10/2001 13:25