Dissertations / Theses on the topic 'Multicast Congestion Control'

Congestion control is among the fundamental problems of Internet multicast. It is an active research area with many challenges. In this study, an introduction to Internet congestion control and a brief literature survey of current multicast congestion control protocols is presented. Then two recently proposed &ldquo
single-rate, end-to-end, rate based&rdquo
class of protocols, namely LESBCC and TFMCC are evaluated with respect to their intersession fairness (TCP-friendliness), smoothness and responsiveness criteria. Throughout the experiments, which are conducted using a widely accepted network simulation tool &lsquo
ns&rsquo
, different topologies have been employed.

Multi-rate Multicast Congestion Control (MR-MCC) is a promising opportunity to tackle the multicast congestion control problem in huge and heterogeneous networks like the global Internet. However, it is not easy to provide an MR-MCC design with responsiveness, efficiency of network utilisation, low packet loss, scalability and fairness (including inter-protocol fairness, intra-protocol fairness, intra-session fairness and TCP-friendliness) as well as feasible implementation. This thesis is concerned with the design and performance evaluation of multi-rate multicast congestion control. We aim to address the problems faced by the previous proposals. In doing so, we have established a rigorous performance evaluation methodology via netwrok simulation, and defined a set of key evaluation criteria to test MR-MCC protocols. Then, we have undertaken a performance evaluation of the previously proposed MR-MCC protocols (RLM, RLC, FLID-DL and PLM). Having learnt from our simulation analysis of previous proposals, we propose our innovative design of an experimental MR-MCC protocol, called Explicit Rate Adjustment (ERA). The design goals are scalability, responsiveness, fast convergence, fairness (including intra-session fairness, intra-protocol fairness, and inter-protocol fairness, in particular TCP friendliness), efficiency in network utilisation, and simplicity to implement. We have also implemented our experimental MR-MCC protocol in the ns-2 network simulation package. Through simulation, we demonstrate the performance evaluation of our MR-MCC extensively and demonstrate that it provides the desirable properties mentioned previously.

This thesis investigates the application of the Active Networks (AN) paradigm in congestion control. ANs provide an alternative paradigm to solving network problems by allowing the network elements to perform computation. Thus, the AN is a promising paradigm to shorten the deployment time of new protocols. Congestion control is a vital element for the Internet to avoid undesirable situations such as congestion collapse. The complexity and importance of congestion control has attracted many researchers to approach it in different ways, i.e. queuing theory, control theory, and recently game theory (pricing). This thesis is concerned with the performance evaluation of AN-based congestion control protocols which have been classified according to their modes of operation, i.e. unicast, multicast single rate, and multicast multirate protocols. The research phase includes modelling and simulation experiments with the ns-2 network simulator. The first area of interest in this thesis is unicast congestion control protocols. We integrate, run and test the novel active queue management called Random Early Marking (REM) over an AN-based unicast congestion controlled network called Active Congestion Control Transmission Control Protocol. (ACC TCP). It can be concluded that the implementation of an ANs paradigm is congestion control, enhanced by the application of REM queuing policy, improves the performance of the network in terms of its low buffer occupancy and stability compared with the one using Random Early Detection (RED) queue management algorithm. Results of simulation studies comparing the performance of conventional protocols with those of AN-based protocols are presented. We investigate the TCP-friendliness behaviour of an AN-based single rate multicast congestion control called Active Error Recovery/Nominee Congestion Avoidance (AER/NCA), which uses active services to recover from loss at the point of loss and assists the congestion control. The use of AN helps the multicast application to achieve optimal data rates. We compare the results of AER/NCA TCP-friendliness to those of a single rate multicast protocols called Pragmatic General Multicast Congestion Control (PGMCC). Our simulation revealed that AER/NCA achieves the desirable property of TCP-friendliness. We also calculated AER/NCA’s fairness index. For multicast multirate congestion control protocols we compare an adaptive AN-based layered multicast protocol called ALMA (Active Layered Multicast Adaptation) with a non-active network-based one called Packet-pair Receiver-driven Layered Multicast (PLM). ALMA performs layered multicast congestion control using AN approach, whereas PLM uses packet-pair techniques and fair scheduler. Experiments results shows that ALMA reacts differently from PLM in sharing the bottleneck link with CBR and TCP flows. We found that ALMA has fast convergence properties and provides flexibility to manage the network using the price function. Our experiments show that ALMA is not a TCP-friendly protocol and has a low inter-protocol fairness index.

Um dos obstáculos para o uso disseminado do multicast na Internet global é o desenvolvimento de protocolos de controle de congestionamento adequados. Um fator que contribui para este problema é a heterogeneidade de equipamentos, enlaces e condições de acesso dos receptores, a qual aumenta a complexidade de implementação e validação destes protocolos. Devido ao multicast poder envolver milhares de receptores simultaneamente, o desafio deste tipo de protocolo se torna ainda maior, pois além das questões relacionadas ao congestionamento da rede, é necessário considerar fatores como sincronismo, controle de feedbacks, equidade de tráfego, entre outros. Por esses motivos, os protocolos de controle de congestionamento multicast têm sido um tópico de intensa pesquisa nos últimos anos. Uma das alternativas para o controle de congestionamento multicast na Internet é o protocolo ALMTF (Adaptive Layered Multicast TCP-Friendly), o qual faz parte do projeto SAM (Sistema Adaptativo Multimídia). Uma vantagem desse algoritmo é inferir o nível de congestionamento da rede, determinando a taxa de recebimento mais apropriada para cada receptor. Além disso, ele realiza o controle da banda recebida, visando à justiça e a imparcialidade com os demais tráfegos concorrentes. O ALMTF foi desenvolvido originalmente em uma Tese de doutorado e teve a sua validação no simulador de redes NS-2 (Network Simulator). Este trabalho tem como objetivo estender o protocolo para uma rede real, implementando, validando os seus mecanismos e propondo novas alternativas que o adaptem para esse ambiente. Além disso, efetuar a comparação dos resultados reais com a simulação, identificando as diferenças e promovendo as pesquisas experimentais na área.
One of the obstacles for the widespread use of the multicast in the global Internet is the development of adequate protocols for congestion control. One factor that contributes for this problem is the heterogeneity of equipments, enlaces and conditions of access of the receivers, which increases the implementation and validation complexity of these protocols. Due to the number (thousands) of receivers simultaneously involved in multicast, the challenge of these protocols is even higher. Besides the issues related to the network congestion, it is necessary to consider factors such as synchronism, feedback control, fairness, among others. For these reasons, the multicast congestion control protocols have been a topic of intense research in recent years. The ALMTF protocol (Adaptive Layered Multicast TCP-Friendly), which is part of project SAM, is one of the alternatives for the multicast congestion control in the Internet. One advantage of this algorithm is its ability to infer the network congestion level, assigning the best receiving rate for each receptor. Besides that, the protocol manages the received rate, aiming to achieve fairness and impartiality with the competing network traffic. The ALMTF was developed originally in a Ph.D. Thesis and had its validation under NS-2 simulator. The goal this work is to extend the protocol ALMTF for a real network, validating its mechanisms and considering new alternatives to adapt it for this environment. Moreover, to make the comparison of the real results with the simulation, being identified the differences and promoting the experimental research in the area.

Made available in DSpace on 2015-03-05T13:53:45Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 3
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
Aplicações como a World-Wide Web, correio eletrônico e transferência de arquivos são a principal fonte de tráfego em redes de comunicação entre computadores hoje em dia. A tecnologia IP, base da Internet, não dispõe de reservas de recursos, e a divisão justa da capacidade da rede entre os fluxos que competem se dá através de mecanismos que devem estar presentes nos protocolos executados nas estações fim (hosts). Tal é denominado controle de congestionamento fim a fim. O tráfego na Internet é predominantemente composto por fluxos TCP, que é dotado de controle de congestionamento. Para o bom funcionamento da Internet, novos protocolos de transporte ou de aplicação devem incluir mecanismos de controle de congestionamento que sejam "amigáveis" ao TCP, ou seja, que não ocupem mais recursos do que deveriam. O surgimento de IP multicast viabilizou, no final nos anos 90, novas aplicações na Internet, como aplicações de trabalho em grupo, bancos de dados distribuídos, vídeo-conferência, etc. Muitas dessas aplicações

Multicast has long been considered an attractive service for the Internet for the provision of multiparty applications. For over a decade now multicast has been a proposed IETF standard. Though there is a strong industry push towards deploying multicast, there has been little multicast deployment by commercial Internet Service Providers (ISPs) and more importantly most end-users still lack multicast capabilities. Depending on the underlying network infrastructure, the ISP has several options of implementing his multicast capabilities. With significantly faster and more sophisticated protocols being designed and prototyped, it is expected that a whole new gamut of applications that are delay sensitive will come into being. However, the incentives to resolve the conflicting interests of the ISPs and the end-users have to be provided for successful implementation of these protocols. Thus we arrive at the following economic questions: What is the strategy that will enable the ISP recover his costs ? How can the end-user be made aware of the cost of his actions ? Naturally, the strategies of the ISP and the end-user depend on each other and form an economic game. The research problems addressed in this thesis are: A pricing model that is independent of the underlying transmission protocols is prefered. We have proposed such a pricing scheme for multicast independent of the underlying protocols, by introducing the concept of pricing points* These pricing points provide a range of prices that the users can expect during a particular time period and tune their usage accordingly. Our pricing scheme makes both the sender and receiver accountable. Our scheme also provides for catering to heterogeneous users and gives incentive for differential pricing. We explore a number of formulations of resource allocation problems arising in communication networks as optimization models. Optimization-based methods were only employed for unicast congestion control. We have extended this method for single rate multicast. We have also devised an optimization-based approach for multicast congestion control that finds an allocation rate to maximize the social welfare. Finally we also show that the session-splitting problem can also be cast as an optimization problem. The commonly used "max-min" fairness criteria suffers from serious limitations like discriminating sessions that traverse large number of links and poor network utilization. We provide an allocation scheme that reduces discrimination towards multicast sessions that traverse many links and also improves network utilization.

Multicast has long been considered an attractive service for the Internet for the provision of multiparty applications. For over a decade now multicast has been a proposed IETF standard. Though there is a strong industry push towards deploying multicast, there has been little multicast deployment by commercial Internet Service Providers (ISPs) and more importantly most end-users still lack multicast capabilities. Depending on the underlying network infrastructure, the ISP has several options of implementing his multicast capabilities. With significantly faster and more sophisticated protocols being designed and prototyped, it is expected that a whole new gamut of applications that are delay sensitive will come into being. However, the incentives to resolve the conflicting interests of the ISPs and the end-users have to be provided for successful implementation of these protocols. Thus we arrive at the following economic questions: What is the strategy that will enable the ISP recover his costs ? How can the end-user be made aware of the cost of his actions ? Naturally, the strategies of the ISP and the end-user depend on each other and form an economic game. The research problems addressed in this thesis are: A pricing model that is independent of the underlying transmission protocols is prefered. We have proposed such a pricing scheme for multicast independent of the underlying protocols, by introducing the concept of pricing points* These pricing points provide a range of prices that the users can expect during a particular time period and tune their usage accordingly. Our pricing scheme makes both the sender and receiver accountable. Our scheme also provides for catering to heterogeneous users and gives incentive for differential pricing. We explore a number of formulations of resource allocation problems arising in communication networks as optimization models. Optimization-based methods were only employed for unicast congestion control. We have extended this method for single rate multicast. We have also devised an optimization-based approach for multicast congestion control that finds an allocation rate to maximize the social welfare. Finally we also show that the session-splitting problem can also be cast as an optimization problem. The commonly used "max-min" fairness criteria suffers from serious limitations like discriminating sessions that traverse large number of links and poor network utilization. We provide an allocation scheme that reduces discrimination towards multicast sessions that traverse many links and also improves network utilization.

Les communications de groupe telles que le multicast IP procurent un moyen efficace pour transmettre simultanément la même donnée vers plusieurs destinataires, comme par exemple pour la diffusion de l'IPTV. Or, il existe une demande pour utiliser le multicast sur des réseaux à capacité variable ou limitée tels que ceux des utilisateurs abonnés à l'ADSL ou ceux utilisés pour les usages mobiles avec un accès sans fil. Dans ces conditions, il est nécessaire de créer un mécanisme de contrôle de congestion pour le multicast capable de partager équitablement la bande passante entre les flux multicast et les flux TCP concurrents. Cette thèse commence par une étude de la latence du temps d'adhésion aux groupes multicast ainsi que son influence sur les différents protocoles existants de contrôle de congestion pour le multicast. Ainsi, nous proposons de créer M2C un protocole de contrôle de congestion prenant en compte cette latence du temps d'adhésion et capable de supporter le passage à très grande échelle. Côté source, M2C utilise des canaux dynamiques semblables à ceux de WEBRC et chaque récepteur M2C dispose d'une fenêtre de congestion mise à jour par des mécanismes de "Slow Start" et de "Congestion Avoidance" qui permettent d'obtenir de façon robuste un partage équitable de la bande passante. De plus, pour converger rapidement vers le débit équitable, un algorithme de "Fast Start" est utilisé au démarrage des sessions M2C. Par ailleurs, un mécanisme permettant de détecter les évolutions du débit équitable réactive le "Slow Start" afin de converger plus rapidement vers le nouveau débit équitable. Le protocole M2C a été implémenté et évalué sur plusieurs environnements complémentaires : aussi bien sur une plateforme locale spécialement mise en place pour ces tests au sein du laboratoire, qu'à travers Internet entre Strasbourg (France), Trondheim (Norvège) et Louvain-la-Neuve (Belgique). L'évaluation se déroule selon des scenarii rigoureux et réalistes : comme par exemple, la concurrence entre une population variable de flux M2C et TCP, avec ou sans bruit de fond tel que les communications courtes produites par la navigation sur des sites web ou la consultation de courriel. Cela permet de mettre en exergue le comportement de M2C grâce à l'évaluation de métriques telles que l'utilisation de la bande passante, le taux de pertes, l'équité, etc. Les canaux dynamiques utilisés par M2C peuvent rendre difficile le développement d'applications. En effet, la source doit être capable d'ordonner ses données en utilisant ces canaux dynamiques dont le débit est recalculé pour chaque paquet envoyé et en permettant à chaque récepteur ayant un débit différent de tirer parti de toutes les données reçues. Ces problèmes sont traités en proposant un séquenceur et une interface de programmation (API) qui permettent d'envoyer les données les plus importantes aux débits reçus par la majorité des récepteurs. Nous avons montré que l'efficacité de ce séquenceur est telle qu'un récepteur recevant N% du débit de la source, alors ce récepteur reçoit les N% les plus importants des données applicatives. De plus, l'API fournie permet à l'application de s'abstraire de connaître les mécanismes utilisés par le séquenceur et par M2C. Cette API est à la fois simple d'utilisation et très efficace pour différents types d'applications. Ainsi, nous l'avons utilisé pour implémenter des logiciels de transfert de fichiers [MUTUAL] et de diffusion de vidéos [MUST], dont les sources sont disponibles publiquement ainsi que celles de M2C~: - [M2C] http://svnet.unistra.fr/mcc/ - [MUTUAL] http://mutual.sourceforge.net/ - [MUST] http://must.sourceforge.net/

Las comunicaciones multipunto ofrecen, tanto a usuarios como a proveedores, mayor eficiencia, permitiendo desarrollar e implantar nuevos servicios. Para poder desplegarlos adecuadamente sobre la redes de comunicaciones, es necesario contar con protocolos adecuados a todos los niveles.
El soporte de conexiones multipunto, que es inmediato en muchas redes de ordenadores, por la existencia de un medio compartido, no lo es en una red ATM o en una red IP. En este tipo de redes, ofrecer una comunicación multipunto requiere de mecanismos complejos que coordinen y controlen la transmisión de información entre las fuentes y los receptores. Esta tesis doctoral estudia las comunicaciones punto a multipunto sobre las redes ATM e IP. En concreto, se diferencian dos objetivos:
· Estudiar, analizar y proponer un control de flujo punto a multipunto en la categoría de servicio Available Bit Rate (ABR) en redes ATM.
· Diseñar, analizar y simular un protocolo de transporte punto a multipunto fiable con control de congestión de tasa única para redes IP.
El control de flujo de ABR fue diseñado para comunicaciones punto a punto. Para el caso multipunto, los conmutadores deben desarrollar mecanismos que limiten y agreguen el tráfico de realimentación. Se ha desarrollado un algoritmo de consolidación que asegura que la agregación de la información de realimentación se realiza de forma correcta, mejorando la convergencia de propuestas anteriores. Este mecanismo se ha modelado matemáticamente, y se ha validado mediante simulación.
En cuanto a las comunicaciones multipunto en Internet, en este trabajo se ha desarrollado un protocolo de transporte punto a multipunto fiable, RCCMP, diseñado para ser escalable, fiable y con un control de congestión de tasa única que comparta el ancho de banda equitativamente con TCP.
El control de congestión ha sido planteado como una parte esencial del protocolo, y no como ocurre en muchas propuestas, como un componente adicional que debe ser ajustado a un protocolo de transporte. En RCCMP se combinan los objetivos de regular la tasa de transmisión y de conseguir una comunicación fiable, con el fin de simplificar y limitar el número de confirmaciones negativas que se envían desde los receptores. Para la evaluación de las prestaciones de RCCMP, se ha implementado el protocolo en el simulador ns-2.
Se ha modelado el caudal de este protocolo de transporte multipunto en función de la tasa de pérdidas y del tiempo de ida y vuelta. La principal contribución de nuestro modelo radica en la caracterización del caudal ante cambios de representante. También, se ha desarrollado un método de análisis para estimar el ancho de banda consumido por cualquier protocolo de transporte. La principal diferencia con otros trabajos es que éstos se centran únicamente en el coste de los procesos del control de errores.
Para mejorar el rendimiento de RCCMP, se ha definido y simulado otro protocolo de transporte punto a multipunto fiable de tasa única, RVCMP, que incluye un control de congestión que emula al de la implementación TCP Vegas.
Multicast communications are profitable for service providers increasing intermediate node performance and reducing traffic in their networks. In the other side, multicast benefits also the users, who are able to enjoy collaborative applications and other multicast applications.
IP and ATM network were designed to support point to point communications. The new multicast generation applications such multimedia conference, shared workspace, distance learning introduce new requirements in data transmission.
There are at least two problems that differentiate between unicast and multicast control schemes in ATM networks with ABR service. First, there is the problem of feedback implosion. The volume of feedback traffic returning to the source increases proportional to the number of destinations. Second, there is the problem of consolidation noise. It can occur when feedback from some leaves is not always received in a timely fashion at the time when RM cells need to be returned by the branch point. One of the proposals to provide multicast communications is to extend unicast traffic management control methods. One of its practical realization schemes is the extension of Enhanced Proportional Rate Control Algorithm (EPRCA) for point to multipoint connections. That proposal suffers from consolidation noise, in order to solve this drawback, a new algorithm is proposed. An analytical approach is used to quantitatively evaluate their performance by using first-order fluid approximation method.
About IP multicast communications, we propose a new protocol, called RCCMP (Reliable Congestion Controlled Multicast Protocol). It has been designed to be simple, scalable (NAK suppression), reliable and TCP-friendly. The congestion control is a central part of the protocol, where the feedback of the worse receiver is used to control a transmission window in a TCP-like fashion. The scalability issue is addressed with an exponential timer scheme that is also used to estimate the number of receivers involved in the communication. The protocol neither needs support from network elements nor maintains state information dependent of the number of receivers. This protocol has been developed in ns-2 (network simulator-2) for validating.
We develop a simple analytic characterization of the steady-state send rate as a function of loss rate and round trip time (RTT). The main contribution is that our model captures the representative changes. Also, we provide a new approach to estimate the link usage of multicast reliable transport protocols. It can be used as a benchmark to evaluate their scalability. We have chosen, as a case study, a multicast reliable transport protocol called RCCMP. The link cost is due to data, retransmitted data, and characteristic packets of multicast protocols such as control packets: control packets for estimating the number of receivers involved in the session and for getting multicast reliability.
For improving performance, we present RVCMP (Reliable Vegas Congestion controlled Multicast Protocol) that has been designed to be simple, scalable, reliable and TCP-friendly. The congestion control developed is a single-rate scheme where the feedback of the worst receiver is used to control a transmission window in a TCP Vegas-like fashion. The proposal takes the advantage from TCP Vegas of operating without inducing packet losses as a signal that there is congestion in the network to achieve a better performance. To evaluate the benefits of Vegas-like congestion control, the performance of RVCMP is compared to an analogous protocol that is based on a TCP Reno congestion control, RCCMP.

Durant les transferts de donnees, il y a deux types de controle pour assurer la qualite de service (qos) aux connexions. - controle au niveau de la connexion : ceci implique des mecanismes de controle de congestion, bases sur des algorithmes fondes sur le retro-controle. Un probleme important, dans ces algorithmes pour un flot abr (available bit rate) point-a-multipoint, est le role du nud de branchement qui est responsable du fusionnement des retro-controles. Nous analysons les differents algorithmes de fusionnement et decouvrons qu'ils ont des faiblesses au niveau de l'equilibre des services (entre les flots unicast et multicast abr) et au niveau de l'utilisation de la bande passante disponible du lien. Nous proposons un algorithme d'arbitrage qui rend un service aux flots unicast et multicast abr en fonction d'une gestion de priorite et qui assure que l'equilibre des services soit maintenu en meme temps qu'une utilisation optimal du lien. - controle au niveau du paquet : les politiques d'ordonnancement sont jugees sur trois proprietes : borne de delai, equite et complexite. Des politiques recemment proposees 2, 3, bien que garantissant une borne de delai optimale et une equite optimale a une connexion, sont quand meme delicates a mis a uvre 70. Nous proposons une nouvelle politique qui fonctionne sur deux idees nouvelles : 1) des estampilles basees sur la quantite de travail fourni, 2) une fonction de temps virtuel associee a une session. La politique proposee determine le progres relatif du travail de la session qui, en reference au modele gps, est appelee politique work progress estimation (wpe). La politique wpe reunit les valeurs optimales pour la borne de delai, l'equite et la complexite.

Thesis (M.Sc.)--York University, 2005. Graduate Programme in Computer Science and Engineering.
Typescript. Includes bibliographical references (leaves 139-145). Also available on the Internet. MODE OF ACCESS via web browser by entering the following URL: http://gateway.proquest.com/openurl?url_ver=Z39.88-2004&res_dat=xri:pqdiss &rft_val_fmt=info:ofi/fmt:kev:mtx:dissertation&rft_dat=xri:pqdiss:MR11871

碩士
國立中央大學
資訊工程研究所
92
The reliable multicast protocol provides the efficient delivery and the reliability to the applications. Moreover, congestion control makes the transmissions adapt the sending rate to the available bandwidth and fairly share bandwidth with the popular traffic in the networks, TCP. There are many services built on the reliable multicast congestion control protocols. With the wireless networks increasing, the multicast services are more critical for the more mobile devices accessing the Internet. But the reliable multicast congestion control protocols are affected by the wireless high loss ratio to cause the low performance. This paper presents an approach, called PGMCCW, to alleviate the influence of the wireless losses. It can differentiate the wireless losses and the congestion losses on multicast and elect the proper feedback from the multiple receivers in the different networks. The detailed algorithm is described as the following chapters and the simulations demonstrate that this scheme is effective to improve the performance on the more popular wireless networks.

碩士
國立中正大學
通訊工程研究所
90
In Multicast Congestion Control research, “drop-to-zero” is a well-known problem. It means a slower receiver slows down faster receiver in the same multicast group. This is because the sender has to adapt its rate or window size to the slowest path, so that a multicast group performance could be dropped. In this paper, we propose that a call admission control (CAC) scheme manage receivers in multicast group to handle “drop-to-zero” problem and improve multicast performance. For this purpose, we integrate multicast congestion control protocol with CAC scheme and utilize the group member’s network information obtained from multicast congestion control protocol to calculate group reward. The basic idea is two-fold. First, the sender can observe the group performance in accordance with calculated group reward. Second, the sender can decide the permission that receiver ask for to join the multicast group in accordance with group reward. We expect to improve group performance and get better group reward and use simulation to analyze CAC scheme of group performance, member counts and group reward. We will show our CAC scheme can effectively drop slower receivers in multicast group and serve the majority of group receivers. The multicast group can build up the group performance and group reward to resolve “drop-to-zero” problem.

Applications involving the reliable transfer of large volumes of data from a source to multiple destinations across wide-area networks are expected to become increasingly important in the near future. A few examples are point-to-multipoint ftp, news distributions, Web caching and software updates. Multicasting technology promises to enhance the capabilities of wide-area networks for Supporting these applications. Flow and congestion control have emerged as one of the biggest challenges in the large-scale deployment of reliable multicast in the Internet. This thesis addresses two specific problems in the design of transport-level flow/congestion control schemes for reliable multicast data transfer: (1) How should feedback-based congestion control schemes be designed for regulating the rate of transmission of data to a single multicast group? (2) How can multiple multicast groups be used to improve the efficiency of bulk data delivery? The first part of this thesis focuses on the design and evaluation of multicast congestion control schemes in which a source regulates its transmission rate in response to packet loss indications from its receivers. We identify and analyze an important problem that arises because a transmitted packet may get lost on one or more of the many end-to-end paths in a multicast tree, and also study its impact on fair bandwidth sharing among co-existing multicast and unicast sessions. An outcome of this work is a fair congestion control approach that scales well to large multicast groups. We also design and examine a prototype protocol that is “TCP-friendly”. The second part of this thesis considers the problem of efficiently transferring data to a large number of destinations in the presence of heterogeneous bandwidth constraints in different parts of a network. We propose a novel approach in which the sender stripes data across multiple multicast groups and transmits it to different sub-groups of receivers at different rates. We also design and evaluate simple and bandwidth-efficient algorithms for determining the transmission rates associated with each multicast group.

Tα τελευταία χρόνια τα κινητά δίκτυα επικοινωνιών τρίτης γενιάς γνωρίζουν μεγάλη άνθηση και η χρήση τους έχει επεκταθεί στις περισσότερες χώρες όπως και στην Ελλάδα. Παρόλο που αυτή η γενιά κινητών δικτύων προσφέρει προηγμένες υπηρεσίες στους χρήστες, η διαρκής ανάγκη για μεγαλύτερες ταχύτητες πρόσβασης που φτάνουν στα όρια της ευρυζωνικότητας, οδήγησε στην περαιτέρω ανάπτυξη των κινητών δικτύων και στην υιοθέτηση νέων τεχνολογιών. Ο κυριότερος εκπρόσωπός τους είναι η τεχνολογία High Speed Packet Access (HSPA). Η τεχνολογία HSPA αποτελεί τη φυσιολογική μετεξέλιξη των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς, η οποία πολλές φορές συναντάται και ως 3.5G ή 3G+ προκειμένου να δηλώσει την αναβάθμιση του 3rd Generation (3G) προτύπου. Παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία HSPA αναμένεται να προσφέρει τη δυνατότητα παροχής πληθώρας ευρυζωνικών υπηρεσιών, το 3rd Generation Partnership Project (3GPP), που αποτελεί τον οργανισμό προτυποποίησης για τις νέες κινητές τεχνολογίες και ορίζει τις προδιαγραφές τους, ήδη μελετά και επεξεργάζεται νέες τεχνολογίες που θα επικρατήσουν για τη νέα δεκαετία στην αγορά των κινητών επικοινωνιών. Η νέα αυτή τεχνολογία αποκαλείται Long Term Evolution (LTE) και στοχεύει στην επίτευξη ακόμη υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης σε συνδυασμό με την αξιοποίηση μεγαλύτερου εύρους ζώνης. Κύρια προοπτική της τεχνολογίας LTE αποτελεί η διασφάλιση της ανταγωνιστικότητας και η επικράτηση του προτύπου στο χρονικό ορίζοντα της επόμενης δεκαετίας. Είναι προφανές ότι η τεχνολογία κινητών επικοινωνιών σταδιακά μεταλλάσσεται προς τη δημιουργία δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς, με απώτερο σκοπό την επίτευξη της αποκαλούμενης «Κινητής Ευρυζωνικότητας». Είναι αναμενόμενο ότι ο ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας των δικτύων κινητών επικοινωνιών έχει επιφέρει μία ιδιαίτερα αυξανόμενη απαίτηση για ασύρματη, πολυμεσική επικοινωνία καθώς και για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας που θα παρέχει πληθώρα ευρυζωνικών υπηρεσιών ψηφιακού περιεχομένου στους χρήστες των κινητών δικτύων επικοινωνιών. Από την άλλη πλευρά, ταυτόχρονα με τις ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις των χρηστών, οι πάροχοι πολυμεσικού περιεχομένου και υπηρεσιών ενδιαφέρονται όλο και περισσότερο για την υποστήριξη της multicast μετάδοσης δεδομένων στα κινητά δίκτυα με σκοπό την αποτελεσματική διαχείριση και επαναχρησιμοποίηση των διαθέσιμων πόρων του δικτύου. Με αυτό τον τρόπο οι χρήστες των κινητών δικτύων θα έχουν πλέον πρόσβαση σε εφαρμογές και υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας γίνεται λόγος για κινητές υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως το mobile TV, το mobile gaming και το mobile streaming. Ένα από τα σημαντικότερα βήματα των δικτύων κινητών επικοινωνιών προς την κατεύθυνση της παροχής νέων, προηγμένων πολυμεσικών υπηρεσιών είναι η έναρξη τη προτυποποίησης της υπηρεσίας Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS). Η υπηρεσία MBMS έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών broadcast και multicast, επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια σχετικά νέα λειτουργία η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Το multicast είναι μία αποδοτική μέθοδος μετάδοσης δεδομένων προς πολλαπλούς προορισμούς καθώς χρησιμοποιεί λιγότερους πόρους από το δίκτυο. Το πλεονέκτημά του είναι ότι τα δεδομένα του αποστολέα μεταδίδονται μόνο μία φορά πάνω από κάθε σύνδεσμο που είναι κοινός στα διάφορα μονοπάτια προς ένα σύνολο από αποδέκτες. Η παρούσα διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει τη διερεύνηση της εφαρμογής διάφορων μηχανισμών βελτιστοποίησης της εφαρμογής του multicast στη μετάδοση δεδομένων πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών. Η διεξαχθείσα έρευνα εστιάζει στην υπηρεσία MBMS και εξετάζει τον τρόπο με τον οποίο θα βελτιστοποιηθεί η εφαρμογή της στα κινητά δίκτυα. Επίσης, μελετά μηχανισμούς που εξασφαλίζουν τον έλεγχο συμφόρησης στις MBMS συνόδους καθώς και στην εφαρμογή του Forward Error Correction (FEC) για την αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων. Η πρώτη σημαντική συνεισφορά που περιλαμβάνει η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι ένας νέος μηχανισμός για τη multicast μετάδοση δεδομένων πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών. Αυτός ο μηχανισμός έχει σχεδιαστεί με βάση τις τρέχουσες προδιαγραφές έτσι όπως αυτές έχουν καθοριστεί από το 3GPP. Ο σχεδιασμός έχει γίνει με στόχο την ελαχιστοποίηση των απαιτούμενων πακέτων και τη βελτιστοποίηση της χρήσης των πόρων του δικτύου. Εκτός από την κανονική multicast μετάδοση δεδομένων, λαμβάνονται υπόψη ειδικές περιπτώσεις οι οποίες προκαλούνται από διάφορα σενάρια κινητικότητας των χρηστών. Βασικός στόχος του μηχανισμού είναι να μπορεί να εφαρμοστεί εύκολα στα υπάρχοντα δίκτυα και να εισάγει ελάχιστες τροποποιήσεις στην αρχιτεκτονική των κινητών δικτύων και τους μηχανισμούς διαχείρισης της κινητικότητας των χρηστών. Ο προτεινόμενος μηχανισμός υλοποιήθηκε στον εξομοιωτή δικτύων ns-2 προκειμένου να διερευνηθεί σε βάθος μέσω πειραμάτων εξομοίωσης. Τα πειράματα εξομοίωσης έδειξαν ότι η κινητικότητα των χρηστών μπορεί να αντιμετωπιστεί χωρίς καμία διακοπή παροχής της υπηρεσίας και χωρίς καμία απώλεια δεδομένων. Επίσης, είναι πολύ σημαντικό ότι το υλοποιημένο τμήμα λογισμικού στον ns-2 μπορεί να χρησιμοποιηθεί περαιτέρω ως πλατφόρμα αξιολόγησης άλλων μηχανισμών που βασίζονται στη multicast μετάδοση σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών. Κάποιες ενδεικτικές περιοχές έντονης έρευνας που θα μπορούσαν να επωφεληθούν από το υλοποιημένο τμήμα λογισμικού είναι η διαχείριση multicast ομάδων, η διαχείριση ασύρματων πόρων, η ανάλυση σεναρίων κινητικότητας χρηστών κ.α.. Στο παρόν ερευνητικό έργο, το νέο αυτό τμήμα του ns-2 χρησιμοποιήθηκε ως πλατφόρμα για την αξιολόγηση μηχανισμών ελέγχου συμφόρησης κατά τη multicast μετάδοση σε κινητά δίκτυα. Ο έλεγχος συμφόρησης είναι ένας μηχανισμός που προσαρμόζει το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων της πηγής ανάλογα με τις συνθήκες συμφόρησης του δικτύου. Στο IP multicast, για το επίπεδο μεταφοράς χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο User Datagram Protocol (UDP). Το πρωτόκολλο αυτό δεν εμπεριέχει κανέναν υλοποιημένο έλεγχο συμφόρησης. Αντίθετα, το πρωτόκολλο Transmission Control Protocol (TCP) προσαρμόζει το ρυθμό μετάδοσης ανάλογα με τις συνθήκες συμφόρησης του δικτύου. Είναι προφανές ότι η συνύπαρξη κίνησης multicast με κίνηση TCP μπορεί να οδηγήσει σε έλλειψη δικαιοσύνης στην κατανομή των πόρων του δικτύου. Προκειμένου να αποφευχθεί η κατάσταση αυτή είναι απαραίτητη η εφαρμογή του ελέγχου συμφόρησης στη multicast μετάδοση. Αυτού του είδους ο έλεγχος συμφόρησης ονομάζεται TCP-friendliness. Η υιοθέτηση ελέγχου συμφόρησης στη multicast μετάδοση πάνω από κινητά δίκτυα θέτει ένα πρόσθετο σύνολο από προκλήσεις. Αυτό συμβαίνει διότι όλοι οι αλγόριθμοι ελέγχου συμφόρησης αντιμετωπίζουν τις απώλειες πακέτων σα μία προφανή εκδήλωση συμφόρησης του δικτύου. Όμως αυτή η υπόθεση δεν είναι πάντα ο κανόνας σε δίκτυα με ασύρματους συνδέσμους. Στους ασύρματους συνδέσμους οι απώλειες πακέτων πολλές φορές οφείλονται σε λόγους που δε σχετίζονται με συμφόρηση δικτύου. Τέτοιοι λόγοι είναι ο θόρυβος ή σφάλμα στον ασύρματο σύνδεσμο. Προφανώς, σε τέτοιες περιπτώσεις η δραστική μείωση του ρυθμού μετάδοσης δεν αποτελεί λύση. Ένα άλλο περιοριστικό στοιχείο είναι η υπολογιστική ισχύς των κινητών τερματικών συσκευών. Οι συσκευές αυτές δεν μπορούν να εκτελέσουν πολύπλοκες στατιστικές μετρήσεις και παρακολούθηση της κίνησης. Κατά συνέπεια, αυτού του είδους οι διαδικασίες δεν πρέπει να εκτελούνται στις συσκευές αυτές. Στο τμήμα της διδακτορικής διατριβής που σχετίζεται με τον έλεγχο συμφόρησης μελετάται η εφαρμογή δύο ήδη γνωστών μηχανισμών ελέγχου συμφόρησης πάνω σε κινητά δίκτυα τηλεπικοινωνιών. Οι εξεταζόμενοι μηχανισμοί είναι ο TCP-Friendly Multicast Congestion Control (TFMCC) και ο Pragmatic General Multicast Congestion Control (PGMCC). Οι δύο αυτοί μηχανισμοί ανήκουν στην ομάδα των μηχανισμών ελέγχου συμφόρησης μοναδικού ρυθμού οι οποίοι αναπόφευκτα δεν προσφέρουν πολλαπλούς ρυθμούς μετάδοσης όπως κάνουν οι πολύ-επίπεδοι μηχανισμοί. Παρόλα αυτά είναι τόσο απλοί ώστε να εξυπηρετούν μία θεμελιώδη απαίτηση για τη multicast μετάδοση σε UMTS δίκτυα που είναι η επεκτασιμότητα για τις εφαρμογές που απευθύνονται σε χιλιάδες χρήστες. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αποδεικνύεται ότι η υποβάθμιση των ασύρματων καναλιών του δικτύου ασύρματης πρόσβασης δημιουργεί δυσλειτουργίες στους υπάρχοντες μηχανισμούς TFMCC και PGMCC. Η συνεισφορά του έργου αυτού έγκειται στο γεγονός ότι οι υπάρχοντες μηχανισμοί έχουν υποστεί μία μερική τροποποίηση και έχουν επεκταθεί προκειμένου να υποστηρίξουν τις ιδιαιτερότητες του δικτύου ασύρματης πρόσβασης. Οι προτάσεις που γίνονται δεν εισάγουν παρά μόνο ελάχιστες τροποποιήσεις στην αρχιτεκτονική των κινητών δικτύων. Επιπλέον, αποφεύγεται η εκτέλεση πολύπλοκων λειτουργιών στις κινητές τερματικές συσκευές. Στα πλαίσια της αξιολόγησης των προτεινόμενων μηχανισμών η απόδοσή τους μελετάται μέσω πειραμάτων εξομοίωσης. Η απόδοση των προτεινόμενων μηχανισμών συγκρίνεται με αυτή των αντίστοιχων υπαρχόντων και, τέλος, οι αποδόσεις των δύο προτεινόμενων μηχανισμών συγκρίνονται μεταξύ τους. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η διεξαχθείσα έρευνα που περιγράφεται εστιάζει επίσης στην εφαρμογή του FEC για την αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων. Γενικότερα στη βιβλιογραφία, έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι για την εξασφάλιση αξιοπιστίας κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων. Η πιο γνωστή μέθοδος είναι η Automatic Repeat re-Quest (ARQ) η οποία δουλεύει αποτελεσματικά κυρίως κατά την unicast μετάδοση. Όταν η μέθοδος ARQ εφαρμόζεται σε μία multicast σύνοδο, οι αποδέκτες στέλνουν αιτήσεις για αναμετάδοση χαμένων πακέτων μέσω καναλιών επικοινωνίας προς τον αποστολέα. Η μέθοδος ARQ γενικά είναι αποτελεσματική κατά τη multicast μετάδοση και αποτελεί ένα αξιόπιστο εργαλείο. Παρόλα αυτά, όταν ο αριθμός των αποδεκτών αυξάνει, οι περιορισμοί στις δυνατότητες της μεθόδου αυτής αποκαλύπτονται. Ένας σημαντικός περιορισμός είναι το πρόβλημα του καταιγισμού ανατροφοδοτήσεων. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει όταν πολλοί αποδέκτες στέλνουν ταυτόχρονα αιτήσεις για αναμετάδοση στον αποστολέα. Ένα δεύτερο πρόβλημα είναι ότι, για ένα δεδομένο ρυθμό απώλειας πακέτων, όσο ο αριθμός των αποδεκτών αυξάνει, τόσο η πιθανότητα να αναμεταδοθεί ένα πακέτο τείνει προς τη μονάδα. Με άλλα λόγια, ένας μεγάλος μέσος αριθμός από μεταδόσεις χρειάζονται για κάθε πακέτο. Σε ένα ασύρματο περιβάλλον, η μέθοδος ARQ έχει ένα ακόμα μεγάλο μειονέκτημα το οποίο οφείλεται στην προϋπόθεση ύπαρξης αμφίδρομου συνδέσμου επικοινωνίας. Πιο συγκεκριμένα, στα περισσότερα ενσύρματα δίκτυα είναι αυτονόητο ότι το κανάλι ανατροφοδότησης παρέχεται από το δίκτυο. Αντίθετα, στα ασύρματα δίκτυα η μετάδοση της ανατροφοδότησης από τον αποδέκτη μπορεί να κοστίζει ακριβά είτε με όρους κατανάλωσης ισχύος είτε λόγω περιορισμών στην τηλεπικοινωνιακή υποδομή. Το FEC είναι μία μέθοδος ελέγχου λαθών η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να συμπληρώσει ή να αντικαταστήσει άλλες μεθόδους για αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων. Το βασικό χαρακτηριστικό των μηχανισμών FEC είναι ότι ο αποστολέας προσθέτει επιπλέον πληροφορία στα μηνύματα προς τον αποδέκτη. Αυτά τα επιπλέον δεδομένα δίνουν τη δυνατότητα στον αποδέκτη να ανακατασκευάσει την αρχική πληροφορία. Αναπόφευκτα, αυτού του είδους οι μηχανισμοί προκαλούν μία σταθερή επιβάρυνση στον όγκο των μεταδιδόμενων δεδομένων και είναι υπολογιστικά ακριβοί. Στα multicast πρωτόκολλα όμως, η χρήση των τεχνικών FEC έχει πολύ δυνατά πλεονεκτήματα. Η κωδικοποίηση περιορίζει το φαινόμενο των ανεξάρτητων απωλειών πακέτων σε διαφορετικούς αποδέκτες. Αυτό κάνει τους μηχανισμούς αυτούς να μπορούν να κλιμακωθούν σε πολλούς αποδέκτες ανεξάρτητα από το ρυθμό απώλειας πακέτων. Επιπλέον, η δραματική μείωση στο ρυθμό απώλειας πακέτων περιορίζει σημαντικά την ανάγκη για την αποστολή ανατροφοδότησης στον αποδέκτη. Επομένως, ένα κανάλι ανατροφοδότησης μπορεί να μην είναι απαραίτητο ή αν χρησιμοποιείται τέτοιου είδους κανάλι, η πιθανότητα εμφάνισης καταιγισμού από ανατροφοδοτήσεις εκμηδενίζεται. Είναι προφανές ότι οι μηχανισμοί FEC είναι τόσο απλοί ώστε να εξυπηρετούν ένα από τους βασικούς στόχους των multicast κινητών υπηρεσιών και ο οποίος είναι η επεκτασιμότητα σε εφαρμογές με χιλιάδες χρηστών. Αυτός είναι και ο λόγος που το 3GPP συστήνει τη χρήση του FEC στο επίπεδο εφαρμογής για την υπηρεσία MBMS και πιο συγκεκριμένα υιοθετεί τη χρήση του κώδικα Raptor FEC. Στο τμήμα της διδακτορικής διατριβής που σχετίζεται με το FEC διερευνάται η εφαρμογή του FEC στη multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα τηλεπικοινωνιών. Η έρευνα διεξάγεται με τη βοήθεια ενός νέου μηχανισμού ο οποίος ενσωματώνει ένα πιθανοτικό μοντέλο για την κατανομή των multicast χρηστών στο δίκτυο και καθορίζει το κόστος της multicast μετάδοσης δεδομένων. Σε αυτό το πλαίσιο, μελετάται η επίδραση της χρήσης του FEC στην υπηρεσία MBMS. Γίνεται μία προσπάθεια για τον καθορισμό ενός αποδοτικού σημείου λειτουργίας στη διελκυστίνδα μεταξύ της επιβάρυνσης εξαιτίας του κώδικα και του κόστους αναμετάδοσης. Εξετάζεται εάν η χρήση του FEC είναι αποδοτική ή όχι, πώς η βέλτιστη διάσταση για τον κώδικα FEC μεταβάλλεται ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν στο δίκτυο, ποιες παράμετροι επηρεάζουν την επιλογή του βέλτιστου κώδικα FEC καθώς και ο τρόπος που το κάνουν. Επιπλέον, εξετάζεται ένα από τα ποιο κρίσιμα θέματα στη multicast μετάδοση σε κινητά δίκτυα και το οποίο είναι ο έλεγχος ισχύος στο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης. Ο προτεινόμενος μηχανισμός ενσωματώνει τις ιδιότητες ενός εξελιγμένου κινητού δικτύου που χρησιμοποιεί την τεχνολογία HSPA για την μετάδοση δεδομένων προς τις κινητές τερματικές συσκευές με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Η αξιολόγηση δε γίνεται μόνο μέσα από το πρίσμα της κατανάλωσης ισχύος αλλά επίσης και μέσα από τα πρίσματα της ταχύτητας μετάδοσης και της κατανάλωσης ενέργειας. Κάτι που είναι επίσης σημαντικό, είναι ότι η ανάλυση που γίνεται είναι πλήρως συμβατή με τις προδιαγραφές του 3GPP και λαμβάνει υπόψη όλου τους δυνατούς τρόπους επικοινωνίας στο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης (σημείο-προς-σημείο, σημείο-προς-πολλαπλά σημεία καθώς και την υβριδική επικοινωνία που συνδυάζει και τους δύο φορείς του δικτύου ασύρματης πρόσβασης). Η δημιουργία αυτού του πλήρους και συμπαγούς πλαισίου είναι ένα από τα κίνητρα που κρύβονται πίσω από αυτό το ερευνητικό έργο. Το τελικό αποτέλεσμα είναι μία πλήρης και συμπαγής θεώρηση όλων των ζητημάτων που αφορούν την εφαρμογή του FEC κατά τη multicast μετάδοση σε κινητά δίκτυα, κάποια από τα οποία δεν είχαν εξεταστεί καθόλου έως σήμερα.
In the recent years, the use of 3rd Generation (3G) cellular networks has begun to rise in most of the countries, as in Greece. 3G networks have the capability to offer advanced services to mobile users. However, the need for higher speeds that approach the capacity of broadband communication, led to the further development of 3G networks and to the adoption of new technologies, with main representative the High Speed Packet Access (HSPA) technology. HSPA constitutes the evolution of UMTS and is known as 3.5G or 3G+ in order to indicate the upgrade from UMTS. Despite the fact that HSPA technology is expected to allow the provision of numerous broadband services, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP), the authorized organization for the standardization of new mobile technologies, already examines new technologies that will prevail in the mobile communications industry over the next decades. This novel technology is known as Long Term Evolution (LTE) and aims at achieving increased data rates and reduced latency compared to existing mobile networks. Therefore, the mobile communications industry progressively evolves to next generation networks, with main target the achievement of the so called “Mobile Broadband”. The rapid growth of mobile communications networks has involved an increasing demand for wireless, multimedia communication and for a unified and functional system of mobile communications that is able to provide numerous broadband services to its users. On the other hand, multimedia content and service providers show an increased interest in supporting multicast data in order to effectively manage and reuse the available network resources. Additionally, more and more users require access to applications and services that until today could only be accessed by conventional wired networks. Thus, real time applications and services may face low penetration today; however, they are expected to gain high interest in future mobile networks. These applications actually reflect a modern, future way of communication among mobile users. Such mobile services include streaming live TV and streaming video. All the above constitute a series of indicative emerging applications that necessitate advanced transmission techniques. One of the most significant steps towards the provision of such demanding services is the introduction of Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS). MBMS is a point-to-multipoint service in which data is transmitted from a single source entity to multiple destinations, allowing the networks resources to be shared. Actually, MBMS extends the existing UMTS infrastructure and efficiently uses network and radio resources, both in the core network and most importantly, in the air interface of UMTS, where the bottleneck is placed to a large group of users. Therefore, MBMS constitutes an efficient way to support the plethora of the emerging wireless multimedia applications and services such as IP video conferencing and video streaming. Multicast is an efficient method for data transmission to multiple destinations. Its advantage is that the sender’s data are transmitted only once over the links which are shared along the paths to a targeted set of destinations. Data duplication is restricted only in nodes where the paths diverge to different subnetworks. The present dissertation describes the investigation of several schemes that optimize the deployment of multicast transmission over mobile communication networks. The conducted research focuses on the MBMS service and examines the way that its deployment should be performed. Additionally, it investigates schemes that can assure an effective congestion control over the MBMS sessions. Finally, it examines the use of Forward Error Correction (FEC) mechanisms for reliable data transmission during the mobile multicast communication. The first major contribution that is presented in this dissertation is a novel scheme for the multicast transmission of data over mobile communication networks. This scheme has been designed with respect to the current specifications of the MBMS service defined by the 3GPP. The design of the scheme has been performed in a way that minimizes the transmitted packets and makes efficient use of the network resources. Apart from the normal multicast transmission of data over UMTS the handling of special cases caused by user mobility scenarios, is considered. It was a major goal to develop an easily deployed scheme that introduces just minor modifications in the mobile network architecture and the mobility management mechanisms that already exist. The proposed scheme has been implemented as a new module in the widely used ns-2 network simulator in order to be evaluated. The simulation experiments show that the proposed scheme can cope with the user mobility without any disruption of the service provision or any packet loss. It is important to highlight that this new ns-2 module can be employed by researchers as a platform to validate and analyze multicast mechanisms over mobile networks. Some areas of active research that may be boosted by the deployment of this new module are MBMS service congestion control, mobile multicast group management, multicast radio resource management, MBMS Quality of Service and analysis and testing of user mobility scenarios. In this dissertation is ns-2 module has been used for the evaluation of two congestion control schemes for the multicast transmission over mobile networks. Congestion control is a policy that adapts the source transmission rate according to the network congestion. In IP multicast, User Datagram Protocol (UDP) is used for the transport layer. This protocol does not implement any congestion control. Instead, the Transmission Control Protocol (TCP) adapts its transmission rate according to network congestion. The coexistence of multicast traffic and TCP traffic may lead to unfair use of network resources. In order to prevent this situation, the deployment of multicast congestion control is indispensable. This kind of congestion control is well known as TCP-friendliness. The adoption of a multicast congestion control in cellular networks poses an additional set of challenges. All the algorithms for congestion control treat the packet loss as a manifestation of network congestion. This assumption does not always apply to networks with radio links, in which packet loss is often induced by reasons other than network congestion like noise or radio link error. In these cases, the network reaction should not be a drastic reduction of the sender’s transmission rate. Another limitation is that the mobile terminals’ computing power cannot afford complicated statistics and traffic measurements, which in turn means that such operations should not be executed on the mobile equipment. In the part of this dissertation that is related with the multicast congestion control over mobile networks, the applicability of two well-known multicast congestion control schemes over mobile networks is investigated. The examined schemes are namely: the TCP-Friendly Multicast Congestion Control (TFMCC) and the Pragmatic General Multicast Congestion Control (PGMCC). Both schemes belong to the class of single-rate congestion control schemes. Such schemes are simple enough, so as to meet a prime objective for UMTS multicast services, which is scalability to applications with thousands of receivers. It is showed that the degradation of the radio channels in the radio access network causes malfunctions in the legacy TFMCC and PGMCC schemes. The innovation of this work stems from the fact that the original schemes are partly modified and extended in order to support the particularities of the radio access network. It is proposed to introduce minor modifications in the mobile network architecture. Furthermore, complicated operations like statistics and traffic measurements are avoided to be performed on mobile equipment. Last but not the least, the performance of the modified TFMCC and PGMCC schemes is examined and presented in a comparative way. The other aspect that this dissertation examines, is the use of FEC during the mobile multicast communication. A lot of proposals to provide reliability in multicast transmission can be found in the literature. The best-known method that works efficiently for unicast transmission is the Automatic Repeat re-Quest (ARQ). When ARQ is applied in a multicast session, receivers send requests for retransmission of lost packets over a back channel towards the sender. Although ARQ is an effective and reliable tool for point-to-multipoint transmission, when the number of receivers increases, it reveals its limitations. One major limitation is the feedback implosion problem which occurs when too many receivers are transmitting back to the sender. A second problem is that for a given packet loss rate, and a set of receivers experiencing losses, the probability that every single data packet needs to be retransmitted quickly approaches unity as the number of receivers increases. In other words, a high average number of transmissions are needed per packet. In a wireless environment, ARQ has another major disadvantage, due to the requirement for a bidirectional communication link. On most wired networks the feedback channel comes for free, but on wireless networks the transmission of feedback from the receiver can be expensive, either in terms of power consumption, or due to limitations of the communication infrastructure. Forward Error Correction (FEC) is an error control method that can be used to augment or replace other methods for reliable data transmission. The main attribute of FEC schemes is that the sender adds redundant information in the messages transmitted to the receiver. This additional data allow the receiver to reconstruct the source information. Such schemes inevitably add a constant overhead in the transmitted data and are computationally expensive. In multicast protocols however, the use of FEC techniques has very strong motivations. The encoding eliminates the effect of independent losses at different receivers. This makes these schemes able to scale irrespectively of the actual loss pattern at each receiver. Additionally, the dramatic reduction in the packet loss rate largely reduces the need to send feedback to the sender. Therefore a feedback channel may not be necessary or whenever feedback sending is possible, the feedback implosion is avoided. FEC schemes are therefore so simple as to meet a prime objective for mobile multicast services, which is scalability to applications with thousands of receivers. This is the reason why 3GPP recommends the use of application layer FEC for MBMS and, more specifically, adopts the use of Raptor FEC code. In this dissertation, a complete study of the applicability of FEC over the multicast data transmission in mobile networks is presented. The investigation is performed with the aid of a novel scheme that incorporates a probabilistic model for the multicast user distribution in the network and analyzes the multicast data delivery cost. In this framework, the impact of FEC use in MBMS is investigated. It is tried to determine the efficient working point in the trade-off between the FEC code overhead and the retransmission cost. It is examined whether FEC use is beneficial or not, how the optimal FEC code dimensioning varies based on the network conditions, which parameters affect the optimal FEC code selection and how they do it. Additionally, the study focuses on one of the most critical aspects in mobile multicast transmission which is the power control in the radio access network. The proposed scheme incorporates the properties of an evolved mobile network that uses High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA) technology for high speed data delivery to mobile terminals. The assessment is not only from power consumption point of view but also from energy consumption and time perspective. It is important that the analysis is compliant with the 3GPP specifications and considers the point-to-point, the point-to-multipoint as well as the hybrid transmission that combines both bearers in the radio access network. The creation of this complete and solid framework is the motivation behind this study. The result is a full view of all the aspects of the FEC application during mobile multicast transmission, some of which have not been considered so far.