Techno-economic feasibility analysis of multipath protocols in the Internet

Abstract

During the past few decades, multipath protocols have been developed to improve load balancing in the Internet. These protocols can send the traffic of individual end users through several paths simultaneously and switch the traffic from one path to another. Despite many technical proposals, multipath protocols are not widely deployed and their economic feasibility remains unstudied. This research fills the gap by analyzing the economic feasibility of multipath protocols from the perspective of different stakeholders. The research essentially considers the use case of accessing Internet services with mobile devices. The objective of the research is to identify and elaborate the factors affecting economic feasibility of multipath protocols, and also their effects on the Internet connectivity market. Furthermore, this research aims to develop the methods for studying not only the feasibility of multipath but also other Internet protocols.Several methods are employed to attain these objectives. Economic theories of network effects and switching costs are taken as the basis for studying the feasibility. System dynamics and variants of techno-economic modeling are used to model the diffusion process and to elaborate the costs and benefits of multipath protocols. Data collection is based on literature, expert interviews and network performance measurements. The results indicate that the protocols enabling host-controlled switch of access operators seem initially more compelling than the protocols that allow accessing several operators simultaneously. Especially, three factors are seen to affect the feasibility of multipath protocols positively: 1) growing number of multihoming-capable (e.g., multi-SIM) devices, 2) higher performance requirements of emerging applications, and 3) increasing capacity of batteries. In case of wide-scale deployment, the market impacts of client multihoming and multipath protocols are expected to be significant since they will reallocate the cost and revenue flows of operators and increase competition in the mobile access. The modeling methods of this research create a novel and practical approach to the research of protocol feasibility. As opposed to traditional economics modeling which neglects the details of a technical structure (black box), techno-economic modeling considers the technical architecture as a white box allowing for the identification of the deployment challenges and opportunities of a protocol. In addition, the research observes that comparing the costs of a protocol against the non-monetary benefits, instead of a purely monetary comparison, is often more applicable approach to the techno-economic analysis of protocols.

Viimeisten vuosikymmenten aikana monitieprotokollia on kehitetty parantamaan kuormantasausta Internetissä. Nämä protokollat voivat lähettää käyttäjän liikennettä useamman polun yli samanaikaisesti ja siirtää liikennettä polulta toiselle. Kyseisistä protokollista on tehty useita teknisiä toteutuksia, mutta ne eivät vielä ole levinneet laajempaan käyttöön ja niiden taloudellinen toteutettavuus on toistaiseksi jäänyt tutkimatta. Tämä väitöskirja tutkii monitieprotokollien käyttöönottoa ja taloudellista toteutettavuutta eri toimijoiden näkökulmasta. Tutkimus keskittyy erityisesti Internet-palveluiden käyttöön mobiililaitteilla. Väitöskirjan tavoitteena on tunnistaa ja arvioida monitieprotokollien käyttöönottoon vaikuttavia tekijöitä sekä analysoida monitieprotokollien markkinavaikutuksia. Lisäksi väitöskirja pyrkii kehittämään uusia menetelmiä monitie- mutta myös muiden Internet-protokollien toteutettavuuden tutkimiseen. Työssä käytetään useita menetelmiä. Teoriat verkkovaikutuksista sekä vaihtokustannuksista luovat pohjan tutkimukselle. Olennaisimpina mallinnustyökaluina käytetään systeemidynamiikkaa sekä teknis-taloudellisen mallinnuksen eri muotoja. Tietolähteinä toimivat kirjallisuus, haastattelut sekä päätelaitepohjaiset verkkomittaukset. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että protokollat, jotka mahdollistavat mobiilioperaattorin päätelaitevetoisen vaihtamisen, vaikuttavat ensivaiheessa taloudellisesti kiinnostavammilta kuin usean mobiilioperaattorin samanaikainen käyttö. Erityisesti kolme tekijää vaikuttaa positiivisesti monitieprotokollien käyttöönottoon: 1) monitieliitynnän mahdollistavien laitteiden markkinoille tulo, 2) Internet-palveluiden suorituskykyvaatimusten kasvu sekä 3) mobiililaitteiden akkukapasiteetin kasvu. Mikäli päätelaitteiden moniverkkoliityntä ja monitieprotokollat leviävät laajempaan käyttöön, markkinavaikutukset ovat oletettavasti mittavat, sillä operaattorien meno- ja tulovirrat jakautuvat uudelleen ja mobiilioperaattorien välinen kilpailu lisääntyy. Väitöskirjassa käytetyt mallinnusmenetelmät luovat uuden ja käytännöllisen lähestymistavan Internet-protokollien taloudelliseen tutkimukseen. Verrattuna perinteisiin taloustieteiden menetelmiin, jotka tarkastelevat protokollia mustana laatikkona, työssä käytetty teknis-taloudellinen mallinnus paljastaa protokollien teknisen arkkitehtuurin ja mahdollistaa käyttöönottohaasteiden ja -mahdollisuuksien tunnistamisen. Tutkimuksen aikana havaittiin, että protokollan käyttöönottokustannusten vertaaminen ei-rahallisiin hyötyihin on usein soveltuvampi lähestymistapa protokollien teknis-taloudellisessa tutkimuksessa kuin puhdas rahavirtoihin perustuva analyysi.