Control of Network Systems

Control of network systems (6 crediti) - A.A 2022-2023

The course introduces the state space approach, the state feedback, the observer design, the state decomposition, the Kalman filtering with application to important case studies such as: GooglePageRank, network congestion contro, TCP congestion control, adaptive videostreaming, cryptography using observers, deep learning for controlling QoE in video streaming. System implementation using kubernets.

Modalità di esame

L'esame comprende una prova scritta, una prova orale in cui si discutono 3 articoli scientifici a scelta tra quelli studiati durante il corso e un tema d'anno. Il voto finale è la media della prova scriita, della prova orale e del tema d'anno.

Programmi del corso

Control methods for computer networks - Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica e ing. Telecomunicazioni A.A. 2022/23

Programma

Descrizione nello spazio degli Stati. Realizzazione. Osservabilità e Controllabilità. Retroazione di stato. Osservatore di stato. Retroazione e osservatore: sintesi del regolatore ed esempi. Sincronizzazione di sistemi caotici e applicazioni alla crittografia con tecniche basate sugli osservatori. Il filtro di Kalman.

Il controllo di congestione nella rete Internet. Smith predictor e controllo di congestione.Controllo rate-base e window based. Il TCP friendly rate control (2 ore). TCP Reno/NewReno, Vegas, Westwood+. Il video streaming adattivo. Il controllo di congestion per WebRTC di Google. Controllo attivo delle code (AQM). Il controllo di congestione nel kernel di Linux. WebRTC. PageRank.

Esperimenti di laboratorio con con software di simulazione. Caso di studio: la WebTV del Politecnico di Bari.

Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica A.A. 2015/16

Programma

Descrizione nello spazio degli Stati. Realizzazione. Osservabilità e Controllabilità. Retroazione di stato. Osservatore di stato. Retroazione e osservatore: sintesi del regolatore ed esempi. Sincronizzazione di sistemi caotici e applicazioni alla crittografia con tecniche basate sugli osservatori. Il filtro di Kalman. Tecniche di controllo non lineare. Definizione di stabilita' dello stato di equilibrio alla Lyapunov. Forme quadratiche. Equazione di Lyapunov. Criteri di stabilita' diretto e indiretto (mediante linearizzazione) dello stato di equilibrio.

Il controllo di congestione nella rete Internet. Smith predictor e controllo di congestione.Controllo rate-base e window based. Il TCP friendly rate control (2 ore). TCP Reno/NewReno, Vegas, Westwood+. Il video streaming adattivo. Il controllo di congestion per WebRTC di Google. Controllo attivo delle code (AQM). Il controllo di congestione nel kernel di Linux. WebRTC. PageRank.

Esperimenti di laboratorio con con software di simulazione. Caso di studio: la WebTV del Politecnico di Bari.

Control methods for computer networks - Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica A.A. 2014/15

Programma

Descrizione nello spazio degli Stati. Realizzazione. Osservabilità e Controllabilità. Retroazione di stato. Osservatore di stato. Retroazione e osservatore: sintesi del regolatore ed esempi. Sincronizzazione di sistemi caotici e applicazioni alla crittografia con tecniche basate sugli osservatori. Il filtro di Kalman. Tecniche di controllo non lineare. Definizione di stabilita' dello stato di equilibrio alla Lyapunov. Forme quadratiche. Equazione di Lyapunov. Criteri di stabilita' diretto e indiretto (mediante linearizzazione) dello stato di equilibrio.

Il controllo di congestione nella rete Internet. Smith predictor e controllo di congestione.Controllo rate-base e window based. Il TCP friendly rate control (2 ore). TCP Reno/NewReno, Vegas, Westwood+. Il video streaming adattivo. Il controllo di congestion per WebRTC di Google. Controllo attivo delle code (AQM). Il controllo di congestione nel kernel di Linux. WebRTC.

Esperimenti di laboratorio con con software di simulazione. Caso di studio: la WebTV del Politecnico di Bari.

Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica A.A. 2013/14

Control methods for computer networks

Il corso ha l’obiettivo di integrare le conoscenze fornite nei corsi di Fondamenti di Automatica I e Fondamenti di Automatica II con tecniche di controllo di particolare interesse nel campo delle reti di computer.

Programma

Descrizione nello spazio degli Stati. Realizzazione. Osservabilità e Controllabilità. Retroazione di stato. Osservatore di stato. Retroazione e osservatore: sintesi del regolatore ed esempi. Sincronizzazione di sistemi caotici e applicazioni alla crittografia con tecniche basate sugli osservatori. Tecniche di controllo non lineare. Definizione di stabilita' dello stato di equilibrio alla Lyapunov. Forme quadratiche. Equazione di Lyapunov. Criteri di stabilita' diretto e indiretto (mediante linearizzazione) dello stato di equilibrio.

Il controllo di congestione nella rete Internet. Smith predictor e controllo di congestione.Controllo rate-base e window based. Il TCP friendly rate control (2 ore). TCP Reno/NewReno, Vegas, Westwood+. Il controllo di congestione nelle reti a 10Gbps. Il video streaming adattivo. Il controllo in retroazione per la qualità del servizio su reti IEEE 802.11. Controllo attivo delle code. I sistemi peer-to-peer . Il controllo di congestione in Skype. PageRank. Il controllo di congestione nel kernel di Linux. WebRTC.

Esperimenti di laboratorio con con software di simulazione. Caso di studio: la WebTV del Politecnico di Bari.

Testi di rferimento

• Appunti dalle lezioni
• Articoli
• J. Hellerstein, Y Diao, S. Parekh, D.M. Tilbury, Feedback control of computing systems, John Wiley 2004
• Gene F. Franklin, J. David Powell, Abbas Emami-Naeini, Feedback Control of Dynamic Systems, Addison-Wesley, 2002
• Slotine, Nonlinear applied control, Prenhall

Materiale di approfondimento sui casi di studio

• QUIC Delay Control: an implementation of congestion and delay control
• Experimental Investigation of the Google Congestion Control for Real-Time Flows
• On continuos versus discrete time models
• Linearizzazione AQM
• smith predictor TCP
• modelling TCP
• sincronizzazione con osservatore
• sincronizzazione + osservatore + crittografia
• TCP Westwood
• TCP Westwood+
• Adaptive streaming
• TCP Van Jacobson
• Congestion control in high-speed communication networks using the Smith principle
• ELASTIC: a Client-side Controller for Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH) (si veda anche "Characterizing Adaptive Video Streaming Control Systems" per il modello del playout buffer)
• Google Congestion Control for Web Real-time communication (WebRTC)
• Skype Video Congestion Control: an Experimental Investigation
• A Mathematical Model of the Skype VoIP Congestion Control Algorithm
• An Adaptive Video Streaming Control System: Modeling, Validation, and Performance Evaluation
• Using control theory for reccomender system
• Page Rank
• A Survey of Eigenvector Methods of Web Information Retrieval
• The Macroscopic Behavior of the TCP Congestion Avoidance Algorithm
• The unreasonable effectiveness of data
• The unreasonable effectiveness of Mathematics in the Natural Sciences
• The Macroscopic Behavior of the TCP Congestion Avoidance Algorithm

Articoli, Esercitazioni, Temi d'Anno

2018

Link al materiale didattico del 2018

2017

• Introduction to Docker and Kubernetes
• Introduction to VR and AR programming

2016

• Comunicazione real-time con WebRTC (Slides)

2015

• Realizzazione di un osservatore di stato basato su filtro di Kalman per la stima della capacità del canale di trasmissione. Contattare Gaetano Carlucci per ricevere il materiale necessario.
• Studio di sistemi di video streaming DASH/HLS utilizzando HTTP2 o QUIC volto alla riduzione del delay utilizzando TAPAS
• Progettazione di un controllore per l’ adattamento del bitrate in un sistema di video streaming adattativo DASH/HLS utilizzando TAPAS - Documentazione: Tapas documentation
• Implementazione di un testbed SDN emulato mediante mininet per realizzare un piano di controllo per una piattaforma di video streaming adattativo - Documentazione: mininet walkthrough
• Stabilizzazione dei movimenti di un visore stereoscopico. Link utili: Threejs demo
• Trasmissione sicura tra laptop usando oscillatori caotici. Link utili: [ ]

2014

• QoE in Large-Scale Video Networks

2013

• MPEG's Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH) - Enabling Formats for Video Streaming over the Open Internet
• HTTP Live Streaming presentation
• Python GStreamer tutorial
• Programmazione di rete con Python: le librerie Django e Twisted
• Esercitazione su GStreamer

2007

• Linux Network Testing: Introduzione agli strumenti per il testing di rete su Linux (6,13 Novembre 2007), sorgenti degli esempi
• Pacchetti Debian per Web100:
  • Immagine del kernel 2.6.22: linux-image-2.6.22-web100_1_i386.deb
  • Userspace utility: web100-userland_1.6-1_i386.deb
• Linux Kernel: introduzione, kernel modules e infrastruttura del Congestion Control (23,30 Ottobre 2007), sorgenti degli esempi

2006

• Laboratorio del 3/02/06: Script in matlab sull'attrattore di Lorenz

Temi di esame

• Esame del 27-02-2008
• Esame del 14-02-2011
• Esame del 05-05-2011

Temi d'anno

Testing comparativo di TCP Stacks

L'obiettivo è lo studio delle performance dei diversi TCP Stacks disponibili sui seguenti sistemi operativi:

• Linux 2.6.x
• Linux 2.4.x
• FreeBSD
• NetBSD
• Windows XP

Lo studente dovrà utilizzare applicazioni per l'auditing di reti e deve avere un background minimo sull'utilizzo di sistemi operativi GNU/Linux.

Riferimenti

• Web100 website
• NetKit
• Transmission Control Protocol RFC
• TCP Westwood+
• FAST TCP