Student Theses

Type of thesis:

Master Thesis

Supervisor:

Abdullah Alshra’a

Description of the thesis:

Software-defined networking (SDN) decouples the control plane (i.e. decision-making) from the data plane (the actual forwarding actions) and provides API between them (e.g. OpenFlow API). With SDN architecture, network engineers no longer have to learn proprietary CLI commands for different vendors. They can focus on developing logically centralized control programs to make network global decisions and send them down to network switches (data plane). Dumped network switches (data plane) receive controller rules/decisions and process network packets accordingly. But, if no decision is found they ask the controller. In smart grids, the use of SDN has enhanced the reliability of field device communication through fast migration of functionality from a failed device towards a redundant device and enabled a power system-dependent prioritization of SGS communication triggered by one SGS.

Problem Definition:

After Defining a huge communication network used for the energy system, the SDN controller should collect all network infrastructure information and form them as a graph (Node-link diagram). Then, a method should find all possible paths between the field devices and their servers (Machine learning algorithms are preferable). Eventually, implementation of network calculus to confirm the performance guarantees and send all related instructions to the forwarding nodes at once. The main goal is to compare the result to the classical SDN method and show the advantages of using network calculus calculations.

Lectures and knowledge required:

Students with experience (work or courses) in Java & Python programmings-interest (and preferably first experiences) in computer networks-independent, structured and conscientious way of working.

Contact us:

Dr. -Ing. Abdullah Alshra’a abdullah.alshraa@fau.de https://www.cs7.tf.fau.de/persons/alshraa/

Keywords:

SDN, energy

Type of thesis:

Master Projekt

Supervisor:

Hielscher, Kai-Steffen Jens
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
Telefon +49 9131 85 27932, Fax +49 9131 85 27409, E-Mail: kai-steffen.hielscher@fau.de

Decription of the thesis:

Bluetooth Mesh Networking is a light-weight extension of Bluetooth LE. Even though there are cheap commercial IoT products available using this technology, most common open-source IoT platforms do not support Mesh networking, yet. In this project, you can experiment with Bluetooth Mesh using either a Raspberry Pi or an ESP32 board. Different host applications exist, for example in the Zephyr OS project. You can use these as a starting point for your own experiments. In addition to the commercial integrated products, there are also device modules with open-source firmware available so that you could also implement your own Bluetooth Mesh devices.

We have some freedom to define multiple different topics for projects in this field.

Art der Arbeit:

Master Thesis

Betreuer:

Hielscher, Kai-Steffen Jens
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
Telefon +49 9131 85 27932, Fax +49 9131 85 27409, E-Mail: kai-steffen.hielscher@fau.de

Beschreibung der Arbeit:

Um kurze Zeitintervalle mit einer Genauigkeit von unter einer Nanosekunde messen zu können, werden Time-to-Digital-Converters (TDCs) eingesetzt. Solche Messungen sind unter anderem bei der hochgenauen Zeitsynchronisation wichtig. Es gibt kommerzielle Bausteine, wie etwa den TDC7200 von Texas Instruments, die einen TDC realisieren. Basierend auf diesem Baustein wurde von der TAPR das TICC-System entwickelt, das zur Charakterisierung von Frequenzquellen genutzt werden kann. Neben diesen fertigen Bausteinen existieren aber auch Implementierungen von TDCs für FPGAs.
Ziel der Arbeit ist die Umsetzung eines TDCs auf einem FPGA-Board. Dabei kann gegebenenfalls auf vorliegende offene TDC-Implementierungen zurückgegriffen werden. Im Rahmen der Arbeit sollen aktuelle Umsetzungen von TDCs auf FPGAs evaluiert werden. Weiterhin soll geprüft werden, welche Mechanismen zur Kalibrierung, wie sie u.a. in der Dokumentation zum TICC-System beschrieben werden, im FPGA umgesetzt werden können. Das TICC-System nutzt zur Messung und zur Kalibrierung einen Oszillator mit 10 MHz, der eine möglichst genaue Frequenz aufweisen soll (GPS-DO, Rubidium-Frequenzstandard). Gegebenenfalls könnte im zu entwickelnden System ein Quarz von normaler Genauigkeit zum Einsatz kommen, dessen aktuelle Frequenz im Betrieb durch PPS-Pulse von einem GPS-Empfänger bestimmt werden könnte.
Eine mögliche Plattform zur Umsetzung wäre ein Logic Analyzer vom Typ DSLogic . Dieser Logic Analyzer enthält neben einem Spartan 6 FPGA, auf dem der TDC implementierbar sein sollte, bereits Hardware zur Aufnahme externer Signale und eine USB-Schnittstelle. Da in der Masterarbeit quelloffene Komponenten eingesetzt werden, sollten die Ergebnisse der Arbeit auch unter einer offenen Lizenz veröffentlicht werden. Ein weiteres optionales Ziel wäre die Anbindung der Lösung an bestehende Software TimeLab , die im Bereich der präzisen Zeit- und Frequenzmessung verbreitet ist.

Vorausgesetzte Vorlesungen bzw. Kenntnisse:

• Gute Kenntnisse in VHDL
• Erfahrung mit Synthesewerkzeugen
• Interesse, sich in das Thema Zeit- und Frequenzmessung einzuarbeiten
• Spaß an praktischer Arbeit und Experimenten

Weitere Informationen zur Arbeit:

https://www7content.cs.fau.de/~ksjh/theses/TDC-FPGA.pdf

Schlagwörter:

Time-to-Digital Converter, TDC, Zeitsynchronisation, FPGA, VHDL, Synthese

Art der Arbeit:

Studien-/Bachelor-/Diplom-/Masterarbeit

Betreuer:

Hielscher, Kai-Steffen Jens
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
Telefon +49 9131 85 27932, Fax +49 9131 85 27409, E-Mail: kai-steffen.hielscher@fau.de

Beschreibung der Arbeit:

Für die Anbindung von externen Uhren wird häufig ein PPS-Impuls (Pulse-per-Second) verwendet, der von externen Uhren wie beispielsweise GPS-Empfängern oder DCF77-Funkuhren ausgegeben wird. Viele Betriebssysteme enthalten im Kernel Mechanismen, die es ermöglichen, eintreffende PPS-Pulse mit einem Zeitstempel der lokalen Uhr des Systems zu versehen. Da ein PPS-Signal den Sekundenbeginn markiert, kann mittels der Zeitstempel für die Pulse der Offset der lokalen Uhr bestimmt werden. Aus Zeitstempeln aufeinanderfolgender Pulse kann zudem der Frequenzfehler der Uhr ermittelt werden, da die Frequenz der eintreffenden Pulse genau 1 Hz beträgt. NTP bietet die Möglichkeit, solche Zeitstempel zu verarbeiten. Leider ist zusätzlich zu den PPS-Pulsen noch ein weiterer Zeitgeber nötig, der festlegt, auf welche Sekunde sich die Pulse beziehen, d.h. das Datum und die Uhrzeit müssen dem System genauer als eine halbe Sekunde bekannt sein.

Der IRIG-H-Standard erlaubt die zusätzliche Codierung des aktuellen Datums und der aktuellen Zeit in die PPS-Pulse, indem die Pulslängen variiert werden. Ein ähnliches Verfahren kommt auch bei der Übertragung des DCF77-Zeitsignals zum Einsatz.

Ziel einer studentischen Arbeit wäre, einen NTP-Referenzuhr-Treiber zu programmieren, der die PPS-API moderner Betriebssysteme nutzt, um aus den Zeitstempeln für IRIG-H-Pulse die aktuelle Uhrzeit und das Datum zu extrahieren und NTP zur Verfügung zu stellen. Zudem soll im Rahmen der Arbeit die Genauigkeit der erreichbaren Synchronisation evaluiert werden. Wird die Aufgabenstellung im Rahmen einer Masterarbeit bearbeitet, so soll auch der zugehörige IRIG-H-Sender implementiert werden (weitere Informationen dazu in gesonderter Aufgabenstellung).

Weitere Informationen zur Arbeit:

https://www7content.cs.fau.de/~ksjh/theses/IRIG-H-Refclock.pdf

Schlagwörter:

NTP, IRIG-H, Refclock

Type of the thesis:

Master Thesis

Supervisor:

Saeid Jahandar
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
Telefon +49 9131 85-27697, Fax +49 9131 85-27931, E-Mail: saeid.jahandar@fau.de

Description:

Satellite communication has special network path characteristics, which can be problematic for Internet
protocols. Experiments and measurements with real satellite Internet access can be laborious and
difficult to reproduce. This motivates the use of link emulation software, which can provide easier setup
and more reproducible results. However, link emulation software might oversimplify real path
characteristics.
One of the simplest link emulation software is Linux NetEm [netem]. It is easy to set up and has good
performance, but only provides limited emulation capabilities.
Another option is the network simulator ns-3 which can be run in real-time mode [ns3realtime], which is
for example used in [interop].
A sophisticated emulation framework for geostationary satellite paths is OpenSAND [opensand], which is
used in [pavur,kosek].

Problem definition:

In this thesis, the above-mentioned link emulation frameworks shall be compared regarding their features
and performance. Interested students should be interested in Linux networking and Docker virtualization.

References:

[netem] https://wiki.linuxfoundation.org/networking/netem
[ns3realtime] https://www.nsnam.org/docs/manual/html/realtime.html
[interop] Marten Seemann and Jana Iyengar. 2020. Automating QUIC Interoperability Testing.
Workshop on the Evolution, Performance, and Interoperability of QUIC (EPIQ 2020).
https://doi.org/10.1145/3405796.3405826
See also https://interop.seemann.io and https://github.com/quic-interop/quic-network-simulator
[opensand] https://www.opensand.org
[pavur] Pavur, J. C., Strohmeier, M., Lenders, V., & Martinovic, I. (2021). QPEP: An actionable
approach to secure and performant broadband from geostationary orbit.
https://ora.ox.ac.uk/objects/uuid:e88a351a-1036-445f-b79d-3d953fc32804
[kosek] M. Kosek, H. Cech, V. Bajpai and J. Ott, “Exploring Proxying QUIC and HTTP/3 for Satellite
Communication,” 2022 IFIP Networking Conference (IFIP Networking), doi:
10.23919/IFIPNetworking55013.2022.9829773

Lectures and knowledge required:

Students with experience (work or courses) in Linux networking, Docker virtualization, Python and/or
C++ programmings.

Contact us:

Saeid Jahandar saeid.jahandar@fau.de https://www.cs7.tf.fau.de/person/jahandar/

Keywords:

Internet Protocols, Satellite Communication, Transport Layer, Computer Networks and
Communication Systems