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Carla Raffaelli

Professoressa associata confermata

Dipartimento di Ingegneria dell'Energia Elettrica e dell'Informazione "Guglielmo Marconi"

Settore scientifico disciplinare: ING-INF/03 TELECOMUNICAZIONI

Coordinatrice del Corso di Laurea Magistrale in Telecommunications engineering

Temi di ricerca

Parole chiave: Algoritmi di ottimizzazione Reti ottiche Modelli di traffico Commutazione ottica TCP/IP

Reti ottiche. Studio di tecniche di trasporto dell'informazione ad altissima velocita' su reti in fibra ottica. Trasporto a circuito, a pacchetto, a burst. Problematiche di interlavoro tra reti elettroniche e reti ottiche a pacchetto e algoritmi di formazione dei pacchetti. Tecniche per la riservazione delle risorse e il supporto della qualita' di servizio. Commutatori ottici a pacchetto. Architetture, algoritmi di controllo, ottimizzazione. Modelli di traffico nei commutatori a pacchetto. Il protocollo TCP su reti ad altissima velocita'. Studio degli effetti dell'assemblaggio dei pacchetti ottici sulle prestazioni del TCP. Introduzione di tecniche di ottimizzazione del'efficienza nell'uso della banda disponibile da parte del protocollo TCP. Tecnologie di rete a supporto di nuovi paradigmi di comunicazione. Studio di modelli di gestione delle risorse di rete in relazione alle caratteristiche della applicazione.

Architetture di rete di futura generazione. Router programmabili. Commutatori ibridi.



L'attivita' scientifica di Carla Raffaelli si colloca nell'ambito delle Reti di Telecomunicazione con riferimento alla evoluzione delle tecniche e dei sistemi in reti ad alte prestazioni multi-servizio.

Partendo da tematiche riguardanti la tecnica ATM (Asynchronous Transfer Mode) durante il periodo del dottorato di ricerca, la candidata si e' successivamente dedicata a studi sulla evoluzione della rete Internet verso la multimedialita', attraverso progetti e collaborazioni nazionali e internazionali.

Fin dall'inizio degli anni novanta ha partecipato a progetti finanziati dalla Unione Europea sulle reti ottiche, collaborando con i primi gruppi di ricerca industriale in Europa che si sono occupati dell'argomento, in particolare Alcatel Alsthom Recherche, Marcoussis, Francia. In questo ambito e' stato prodotto un lavoro, svolto in collaborazione, di ampio riferimento nella comunita' scientifica internazionale. Questi primi studi hanno consentito successivamente di accedere a reti di eccellenza europee, con conseguimento di un riconosciuto processo di integrazione e sviluppo delle attivita' scientifiche del settore.

La candidata ha inoltre svolto attivita' di ricerca a carattere sperimentale riguardante architetture e protocolli innovativi per la rete Internet del futuro. Ha affrontato tematiche come la virtualizzazione, la programmabilita' e la qualita' di servizio di rete, anche a supporto degli emergenti concetti di reti orientate ai contenuti e di reti ‘cloud'.

L'esperienza metodologica ha consentito alla candidata di occuparsi di tematiche affini a quelle principali come la modellizzazione analitica di protocolli per reti wireless.

Tutti gli argomenti di ricerca sono stati affrontati curando gli aspetti metodologici e proponendo, oltre a soluzioni architetturali e funzionali innovative, anche modelli e tecniche di rappresentazione analitica e simulativa, a cui la candidata ha contribuito con apporti personali originali.

Nel corso degli anni la candidata ha perseguito l'acquisizione di capacita' via via crescenti  di organizzazione della ricerca, di individuazione delle tematiche piu' promettenti  e  di collaborazioni con gruppi di ricerca nazionali e internazionali. Il conseguimento di questi obiettivi e' evidenziato dalle pubblicazioni piu' recentemente prodotte, sia per collocazione editoriale che per collaborazione con gruppi prestigiosi a livello nazionale ed internazionale.

La candidata si e' in tal modo collocata in una posizione di visibilita' anche internazionale per la ricerca sulle reti fotoniche, le architetture di commutazione e le relative applicazioni emergenti, suscitando anche interessi  nella realta' tecnica industriale.

Si riporta di seguito un breve commento agli argomenti di ricerca affrontati:

•             Reti fotoniche

- Reti fotoniche a pacchetto e a burst.

Questa ricerca e' iniziata intorno ai primissimi anni '90 e ha riguardato la definizione e la valutazione di  possibili alternative di trasporto dell' informazione  su reti ottiche, dal punto di vista dello schema di multiplazione (sincrono o asincrono), del principio di commutazione (con o senza connessione) e della architettura dei protocolli. Il lavoro [18] riporta i risultati della ampia collaborazione con enti accademici e industriali nell'ambito di uno dei primi progetti finanziati dalla Unione Europea su questo argomento.  La candidata ha contribuito alla definizione della architettura di rete di riferimento, alla definizione di tecniche per la risoluzione della contesa nei nodi e alla relativa valutazione di prestazioni.

 Ha anche studiato alcune problematiche fondamentali delle reti ottiche a burst, come gli aspetti di inter-lavoro con  reti periferiche TCP/IP , le problematiche dei protocolli di segnalazione  e il trasporto di informazione con qualita' garantita , anche nell'ambito di collaborazioni nazionali e internazionali. 

Su queste tematiche la candidata ha fatto parte di un gruppo di coordinamento nell'ambito della rete di eccellenza europea ephoton/ONe. Ha inoltre contribuito al capitolo del libro ‘High Performance TCP/IP Networking', edito da Prentice Hall, 2004.

Le problematiche della qualita' di servizio nelle reti ottiche sono specificamente affrontate in [14] dove viene evidenziato in modo originale il diverso ruolo svolto a tale scopo dalla applicazione di algoritmi di differenziazione del servizio nel dominio del tempo o delle lunghezze d'onda, e l'efficacia di algoritmi ottenuti dalla combinazione dei due domini. Un ulteriore aspetto studiato e' stato il problema della perdita di sequenza dei pacchetti come conseguenza degli algoritmi di gestione delle risorse nella rete.

Su questi argomenti la candidata ha curato il numero speciale della rivista IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking, dal titolo ‘Optical Networks for the Future Internet', 2009. Ha inoltre coordinato il capitolo ‘Optical Packet Switching' del libro “Enabling Optical Internet with Advanced Network Technologies”, edito da Springer, 2009.

- Commutatori ottici.

L'attivita' di ricerca su questa tematica si e' sviluppata in costante relazione con gruppi di ricerca operanti su componenti e dispositivi ottici. I primi lavori sono stati condotti in collaborazione con il gruppo di ricerca di Alcatel Alsthom Recherche (Marcoussis-Francia) su architetture “broadcast-and-select”. Il contributo personale della candidata ha riguardato l'architettura del commutatore, la valutazione delle prestazioni di traffico e la proposta di algoritmi di controllo innovativi  della funzione di trasferimento dei pacchetti e di gestione delle code. E' stata proposta una soluzione multistadio per la commutazione di pacchetti ottici di lunghezza variabile, pensati a supporto del traffico IP con organizzazione gerarchica dell'accodamento e conversione di lunghezza d'onda per risolvere le contese all'interno del commutatore. Un lavoro di coordinamento, svolto dalla candidata, sulla tematica delle architetture di commutazione e dello stato dell'arte delle attivita' di ricerca svolte dai principali gruppi europei del settore e' sato pubblicato in un lavoro congiunto. E' stato prodotto anche un lavoro correlato al precedente che presenta una panoramica delle tecnologie ottiche abilitanti per la commutazione.

- Architetture di commutatori con risoluzione della contesa nel dominio delle lunghezze d'onda.

Su questo argomento si e' consolidata una approfondita collaborazione internazionale supportata dalla rete di eccellenza europea ephoton/ONe. La candidata ha prodotto lavori di innovazione architetturale e modellizzazione che hanno contribuito ad ambiti prestigiosi del confronto scientifico.

Ai lavori principali pubblicati su rivista fanno da corollario molteplici contributi a congressi di grande rilevanza internazionale. Da segnalare un lavoro recentemente accettato per la presentazione a IEEE Globecom 2012 riguardante possibili realizzazioni pratiche delle architetture studiate mediante convertitori di lunghezza d'onda parametrici.

•             Reti  IP multiservizio

- Algoritmi e misure di qualita' di servizio nei router IP.

Questa attivita' di ricerca ha riguardato la definizione di funzionalita' avanzate in router IP e la relativa realizzazione e misura. In particolare e' stata messa a punto una procedura di classificazione dei pacchetti in base a diversi criteri come la indicazione esplicita di livello di servizio, il protocollo di trasporto utilizzato, le proprieta' statistiche del traffico. La procedura e' stata realizzata dapprima in ambiente Linux e poi utilizzando ambienti modulari di sviluppo (Click). E' stato realizzato un test bed costituito da alcuni personal computer e basato su software open source, su cui sono state effettuate misure di qualita' di servizio in presenza di traffici con diversi requisiti di qualita'.  Questa attivita' e' stata svolta principalmente nell'ambito di un progetto di ricerca ministeriale (NEBULA).

Queste attivita' hanno notevolmente contribuito a consolidare conoscenze pratiche avanzate nel contesto IP con ricadute positive sia sulla attivita' di ricerca che sulla attivita' didattica. E' stata realizzata una dimostrazione pratica alla riunione nazionale GTTI, Trieste, 2002.

 - Studio di software router e misure sperimentali.

Questa attivita' ha riguardato indagini sperimentali sulla possibilita' di realizzare software router ad elevate prestazioni su hardware general purpose e con software open source. L'attivita' ha avuto luogo nell'ambito di un progetto ministeriale  (EURO). La candidata ha coordinato le attivita' di misura sperimentale che hanno dato luogo a considerazioni di particolare interesse riguardanti i limiti di velocita' di trasferimento dei pacchetti IP sia in relazione alle caratteristiche delle schede di rete utilizzate e alla relativa configurazione, sia in relazione all'utilizzo di CPU singole o multiple, sia per quanto riguarda le caratteristiche dei bus di sistema.

La candidata ha collaborato in associazione con INFN/CNAF per la conduzione di misure sperimentali con apparati commerciali, anche a supporto di studi sulla rete del CERN di Ginevra. A differenza del caso di router open, tali sistemi sono soltanto osservabili, nel senso che non sono tipicamente note le modalita' con cui vengono realizzate le politiche di qualita' di servizio supportate. E' possibile comunque attraverso misure sperimentali valutare l'impatto di diversi tipi di traffico sulle prestazioni e sulla efficacia di alcuni algoritmi per la qualita' di servizio e dedurne eventuali limiti come mostrato in alcuni lavori pubblicati.

- Router programmabili

Questa attivita', riguarda la definizione di modelli architetturali innovativi per nodi di rete ad elevata flessibilita' per l'Internet di futura generazione. Su questa tematica e' stata coordinata una proposta di progetto europeo (PROFUSION, FP7-Call VIII, valutato sopra soglia, tuttavia non finanziato) e si e' ottenuto un finanziamento ministeriale PRIN2009. La realizzazione di queste architetture si avvale della introduzione di concetti di virtualizzazione delle funzioni di un nodo di rete che ne consentono la realizzazione modulare in accordo a standard emergenti. Gli studi a supporto di tale realizzazione sono riportati in [3] per quanto riguarda l'architettura e i principi generali, e in altri lavori che ne specificano aspetti realizzativi, di test e di sicurezza, rispettivamente. Su tale argomento collabora con l'azienda norvegese Transpacket.

•             Commutazione in reti ATM

Questa attivita' e' stata sviluppata nella fase iniziale della attivita' di ricerca della candidata ed e' confluita principalmente nella tesi di dottorato di ricerca. Sono state studiate diverse soluzioni architetturali per commutatori ATM con accodamento in ingresso e in uscita e matrici spaziali organizzate in parallelo, tipicamente realizzate con topologie di rete di interconnessione a percorso singolo. Per tali reti e' stato sviluppata una metodologia analitica per la valutazione delle prestazioni, la cui accuratezza e' stata verificata per simulazione.

•             Reti wireless

Alcuni studi nella fase iniziale di attivita' hanno riguardato le prestazioni dei  protocolli di accesso multiplo per reti locali via radio, in particolare  basati sulla indagine dello stato del canale di trasmissione. Il lavoro piu' significativo riguarda lo sviluppo di una metodologia di studio analitico di protocolli  BCMA (Busy Channel Multiple Access) a cui la candidata ha contribuito in modo originale.

ATTIVITA' NEI PROGETTI NAZIONALI ED INTERNAZIONALI

Progetti Nazionali

•             Progetto Finalizzato Telecomunicazioni C.N.R. - Sottoprogetto IV - Gruppo Rete - 1990-1994. La candidata svolge ruolo di conduzione del progetto di ricerca dell' unita' di Bologna e cura i rapporti con le altre unita' di ricerca partecipando alle riunioni di coordinamento e presentando i risultati della attivita'.

•             Partecipante al progetto strategico CNR WWLAN 1995-1997. Individua e sviluppa una tematica di interesse retistico per reti locali via radio a larga banda rappresentata dalle problematiche di accesso multiplo in presenza di connessioni ATM.

•             Responsabile progetto MURST ex 60% "Aspetti di rete nelle reti locali via radio a larga banda", 1995-1997. Coordina e sviluppa attivita' di ricerca su tematiche di accesso multiplo a reti locali ATM via radio.

•             Responsabile progetto MURST ex 60% "Interconnessione di applicazioni TCP/IP su reti ottiche", 1998-2000. Coordina e sviluppa attivita' di ricerca su tematiche di interconnessione di reti IP con reti ottiche a pacchetto.

•             Responsabile progetto MURST ex 60% "Gestione della qualita' di servizio nei router IP", 2000-2001. Coordina e sviluppa attivita' di ricerca su tematiche di interconnessione di reti IP con reti ottiche a pacchetto.

•             Partecipante al progetto (ex 40%) “Tecniche per la garanzia di qualita' in reti di telecomunicazioni multiservizi (MQOS)”. Coordina e sviluppa le attivita' di ricerca sul concetto di qualita' di servizio nelle reti ottiche. Organizza attivita' di misure sperimentali di qualita' di servizio su rete geografica in collaborazione con INFN/CNAF

•             Responsabile per l'unita' di ricerca di Bologna del progetto PRIN 2000 “Tecniche per il controllo della qualita' di servizio in reti IP multidominio (NEBULA)”- titolo locale: “Gestione delle classi di servizio in ambienti a servizi differenziati”. Coordina e sviluppa attivita' di ricerca sulla allocazione dinamica di risorse in internet e realizza il progetto e la messa a punto di un test bed sperimentale per misure di qualita' di servizio in ambito locale. Budget: 45000 euro

•             Responsabile per l'unita' di ricerca di Bologna del progetto PRIN 2002 “Esperimento Universitario di Router Open (EURO)”- titolo locale: “Router open multiservizio”. Coordina e sviluppa attivita' di ricerca sulla architettura hardware e software di router IP basati su PC e su software open. La Prof. Raffaelli e' stata responsabile di questo progetto per l'unita' di Bologna contribuendo alla valutazione di prestazioni di procedure di instradamento  e trasferimento pacchetti con personal computer di ultima generazione. Ha inoltre sviluppato il progetto di funzioni a supporto della multimedialita' realizzate utilizzando l'ambiente Click modular router. Ha proficuamente collaborato con altre unita' partecipanti al progetto. Budget: 45000 euro

•             Responsabile per l'unita' di ricerca di Bologna del progetto PRIN 2005  “OSATE - Optics in Switching Architectures: Theory and Experimentation” – titolo locale: “Switch ottici scalabili”. La Prof. Raffaelli e' stata responsabile di questo progetto per l'unita' di Bologna. Sono state studiate architetture di commutatori ottici broadcast and select con particolare attenzione alle caratteristiche di scalabilita', sia per quanto riguarda l'hardware che il software.  Dal punto di vista della architettura hardware sono state proposte soluzioni basate su convertitori di lunghezza d'onda condivisa organizzati su stadi multipli e sono stati proposti modelli per la valutazione parametrica della complessita'. Dal punto di vista del software di controllo sono stati proposti e confrontati algoritmi di controllo del trasferimento adatti ad operare su strutture modulari. Budget: 35000 euro

•             Responsabile per l'unita' di ricerca di Bologna del progetto PRIN 2009 “SFINGI – titolo locale: “Programmable Router for Next Generation Internet (PROGENIE)”. La Prof. Raffaelli e' responsabile di questo progetto per l'unita' di Bologna. Il progetto ha come obiettivo lo studio di tecniche di virtualizzazione per la realizzazione di router programmabili in scenari applicativi emergenti in reti di futura generazione. Budget: 67000 euro

•             Progetti di ateneo RFO (Ricerca Fondamentale Orientata - ex 60%). La Prof. Raffaelli e' stata responsabile dall'anno 2005 di progetti RFO su tematiche correlate a quelle precedentemente discusse utilizzando questo ambito per approfondire argomenti specifici come i protocolli di trasporto per reti a elevato prodotto banda ritardo, il supporto allo sviluppo di applicazioni per reti ottiche e gli algoritmi per la qualita' di servizio. Nelle  assegnazioni 2006, 2007, 2008, 2009, in relazione alla applicazione dei criteri per la valutazione della produttivita' scientifica, si e' collocata in seconda fascia di produttivita' (Fascia B - top 25%) e nelle valutazioni 2010 e 2011 in prima fascia di produttivita' (Fascia A - top 15%). Budget: 20000 euro ca nel periodo 2006-2010.

Progetti Internazionali

•             1993-1994 - Progetto ATMOS (ATM Optical Switching), finanziamento UE, RACE 2, Prog. N. R2039 – sub-contractor di  Alcatel AAR – Marcoussis – France. Collabora con i ricercatori di Alcatel per lo studio di alternative  architetturali di matrici di commutazione ottica basate sulla tecnologia ottica disponibile.

•             1995-1998 - Progetto KEOPS (KEys to Optical Packet Switching), finanziamento UE, IV programma quadro (ACTS), prog. N. AC043 – Partecipante dell' Unita' di ricerca di Bologna. Coordina attivita' di definizione delle architetture dei commutatori ottici e di valutazione delle relative prestazioni di traffico. Contribuisce alla stesura di documenti tecnici (deliverable)  del progetto.

•             2001-2003 - Progetto DAVID (Data And Voice Integration over DWDM), finanziamento UE, V programma quadro (IST), prog. N. IST-1999-11742.

Coordina e sviluppa attivita' di ricerca  su servizi orientati alla connessione nelle reti ottiche a pacchetto. Partecipa alla stesura di documenti tecnici (deliverable) del progetto.

•             2005-2008 Reti di eccellenza e-Photon/ONe (prog. N. FP6-IST-00193) e e-Photon/ONe+ (prog. N. FP6-027497) - Optical Networks: Towards Bandwidth Manageability and Cost Efficiency - Finanziamento UE VI programma quadro. Partecipante dell' Unita' di ricerca di Bologna. Membro della OBS (Optical Burst Switching) taskforce. Coordina attivita' di ricerca congiunta di gruppi internazionali sul nodo di commutazione fotonica e sulle reti ottiche a burst. Membro della “advisory board” del JP-B (Joint Project on Optical Burst switching). Tali collaborazioni sono documentate da pubblicazioni congiunte con autori stranieri.

•             2008-2010 Progetto BONE - finanziamento UE, VII programma quadro, prog. N. 216863 - Building the Future Optical Network in Europe. Partecipante dell' Unita' di ricerca di Bologna. Co-ordinamento di ricerca e iniziative didattiche internazionali documentate da pubblicazioni.