Opportunistic Networks: Present Scenario- A Mirror Review

Opportunistic Network is form of Delay Tolerant Network (DTN) and regarded as extension to Mobile Ad Hoc Network. OPPNETS are designed to operate especially in those environments which are surrounded by various issues like- High Error Rate, Intermittent Connectivity, High Delay and no defined route between source to destination node. OPPNETS works on the principle of “Store-and-Forward” mechanism as intermediate nodes perform the task of routing from node to node. The intermediate nodes store the messages in their memory until the suitable node is not located in communication range to transfer the message to the destination. OPPNETs suffer from various issues like High Delay, Energy Efficiency of Nodes, Security, High Error Rate and High Latency. The aim of this research paper is to overview various routing protocols available till date for OPPNETs and classify the protocols in terms of their performance. The paper also gives quick review of various Mobility Models and Simulation tools available for OPPNETs simulation

Structure and topology of transcriptional regulatory networks and their applications in bio-inspired networking

Biological networks carry out vital functions necessary for sustenance despite environmental adversities. Transcriptional Regulatory Network (TRN) is one such biological network that is formed due to the interaction between proteins, called Transcription Factors (TFs), and segments of DNA, called genes. TRNs are known to exhibit functional robustness in the face of perturbation or mutation: a property that is proven to be a result of its underlying network topology. In this thesis, we first propose a three-tier topological characterization of TRN to analyze the interplay between the significant graph-theoretic properties of TRNs such as scale-free out-degree distribution, low graph density, small world property and the abundance of subgraphs called motifs. Specifically, we pinpoint the role of a certain three-node motif, called Feed Forward Loop (FFL) motif in topological robustness as well as information spread in TRNs. With the understanding of the TRN topology, we explore its potential use in design of fault-tolerant communication topologies. To this end, we first propose an edge rewiring mechanism that remedies the vulnerability of TRNs to the failure of well-connected nodes, called hubs, while preserving its other significant graph-theoretic properties. We apply the rewired TRN topologies in the design of wireless sensor networks that are less vulnerable to targeted node failure. Similarly, we apply the TRN topology to address the issues of robustness and energy-efficiency in the following networking paradigms: robust yet energy-efficient delay tolerant network for post disaster scenarios, energy-efficient data-collection framework for smart city applications and a data transfer framework deployed over a fog computing platform for collaborative sensing --Abstract, page iii

Formalizing Mobile Ad Hoc and Sensor Networks Using VDM-SL

AbstractMobile ad hoc and sensor networks (MAHSNs) are expected to become the fabric of modern societies. Despite considerable advancements, these networks are yet unable to surmount many operational challenges especially in safety-critical large-scale applications. Most of the published research focused on performance analysis of nonfunctional properties and ignore correctness of the approach which is vital in large and complex systems. This paper investigates an alternative formal specification and analysis technique for MAHSNs. We model MAHSNs as dynamic graph and employ VDM-SL for formal specification and verification of LASCNN algorithm. Constraints are put on the data where required to support validation of the formal algorithm. Pre and post conditions are defined for correct operation of communication in terms of messages. VDM-SL is used because it is a formal specification language to describe detailed examination of the system. The specification is analyzed and validated using VDM-SL toolbox

Unterbrechungstolerante Fahrzeugkommunikation im öffentlichen Personennahverkehr

Communication systems play an important role in the efficient operation of public transport networks. Recently, traditional voice-centric real-time communication is complemented and often replaced by data-centric asynchronous machine-to-machine communication. Disruption tolerant networking in combination with license-exempt high bandwidth technologies have the potential to reduce infrastructure investments and operating costs for such applications, because a continuous end-to-end connectivity is no longer required. In this thesis the feasibility of such a system is investigated and confirmed. First, realistic use-cases are introduced and the requirements to the communication system are analyzed. Then the channel characteristics of several WLAN-based technologies are experimentally evaluated in real public transport scenarios. Since the results are promising, the next step is gaining a deeper understanding of the special mobility properties in public transport networks. Therefore, we analyze existing traces as well as our own newly acquired trace. Our trace features additional operator meta-data that is not available for existing traces, and we report on unexpected properties that have not been quantified before. Then the trace is combined with the experimentally obtained channel parameters in order to analyze the characteristics of inter-vehicle contacts. We present the statistical distribution of situation-specific contact events and the impact of radio range on contact capacity. Then results of all steps above are used to propose a routing scheme that is optimized for public transport networks. In the final simulation-based evaluation we show that this router outperforms previously proposed algorithms.Kommunikationssysteme leisten einen wichtigen Beitrag zum effizienten Betrieb des öffentlichen Personennahverkehrs. Seit einigen Jahren wird dabei der Sprechfunk zunehmend durch asynchronen M2M-Datenfunk ergänzt und in vielen Anwendungsgebieten sogar vollständig ersetzt. Die Kombination aus unterbrechungstoleranten Netzwerken und lizenzfreien Drahtlostechnologien birgt ein erhebliches Potential zur Reduzierung von Infrastrukturinvestitionen und Betriebskosten, da für diese Anwendungen eine dauerhafte Ende-zu-Ende Verbindung nicht mehr erforderlich ist. In dieser Arbeit wird die Machbarkeit eines solchen Systems untersucht und belegt. Zunächst werden dazu Anwendungsfälle vorgestellt und deren Anforderungen an das Kommunikationssystem analysiert. Dann werden die Kanalcharakteristika mehrerer WLAN-Technologien im realen ÖPNV-Umfeld experimentell ermittelt und bewertet. Auf Grundlage der erfolgversprechenden Ergebnisse werden im nächsten Schritt die besonderen Mobilitätseigenschaften von ÖPNV-Netzen untersucht. Zu diesen Zweck analysieren wir existierende und eigene, neu aufgezeichnete Bewegungsdaten von ÖPNV-Fahrzeugen. Unsere Daten enthalten dabei zusätzliche Metadaten der Verkehrsbetriebe, die zuvor nicht verfügbar waren, so dass wir unerwartete Effekte beschreiben und erstmals quantifizieren können. Anschließend werden die Bewegungsdaten mit den zuvor experimentell erfassten Kanaleigenschaften kombiniert, um so die Kommunikationskontakte zwischen den Fahrzeugen genauer zu betrachten. Wir stellen die statistische Verteilung der situationsabhängigen Kontaktereignisse vor, sowie den Einfluss der Funkreichweite auf die Kontaktkapazität. Dann werden die Ergebnisse aller vorhergehenden Schritte verwendet, um ein neues, optimiertes Routingverfahren für ÖPNV-Netze vorzuschlagen. In der simulationsbasierten Evaluation belegen wir, dass dieser Router die Leistung bisher bekannter Verfahren übertrifft

Rede multi-tecnologia para recolha de dados ambientais através de comunicações oportunistas

mestrado em Engenharia Eletrónica e TelecomunicaçõesO conceito de Smart City surge da combinação do paradigma de Internet of Things (IoT) sobre contextos urbanos aliado à exploração de soluções de Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC). O típico cenário de Smart City tem de lidar com desafios, tais como as elevadas quantidades de sensores e geradores de dados, dos quais alguns são colocados em dispositivos de grande mobilidade, visando a recolha e geração de todo o tipo de informações e levando ao aumento do número de dispositivos comunicantes. Esta dissertação foca o desenvolvimento e implementação de uma plataforma heterogénea de sonorização ambiental com o objectivo de servir de infraestrutura para aplicações no âmbito das Smart Cities. Esta pretende tirar proveito da utilização de múltiplas tecnologias de comunicação, nomeadamente tecnologias de longo e curto alcance. Para al em disto, visto que a plataforma visa ambientes urbanos, esta tira proveito de uma rede oportunista e tolerante a atrasos, Delay Tolerant Network (DTN), através de entidades m oveis que circulam pela cidade, nomeadamente bicicletas. Assim sendo, esta dissertação propõe: (1) o desenho e desenvolvimento da rede e dos seus constituintes; (2) uma extensão a um protocolo de controlo de acesso ao meio, Medium Access Control (MAC), para a tecnologia LoRa com o objectivo de o dotar compatível para ambientes de gateways múltiplas; (3) novas estratégias de encaminhamento para a rede tolerante a atrasos, tendo em consideração a topologia e as características apresentadas por esta. As avaliações realizadas permitiram concluir que o protocolo MAC para LoRa em ambientes de gateways múltiplas proposto contribui para um aumento da escalabilidade da rede, bem como para uma melhoria do seu desempenho. Relativamente às estratégias de encaminhamento propostas para a DTN, os testes realizados permitiram avaliar o impacto que cada estratégia tem sobre o comportamento da rede, nomeadamente a taxa de entrega dos pacotes de dados, a sobrecarga da rede, o número de pacotes transmitidos, entre outros. Com estes resultados foi possível perceber as in- suficiências que as funcionalidades propostas têm sobre a solução geral, e identificar as caraterísticas necessárias de uma solução escalável para a recolha de dados massivos num ambiente de IoT.The Smart City concept is the combination of the Internet of Things (IoT) paradigm under an urban context with the exploitation of Information and Communication Technologies (ICT) solutions. The typical Smart City scenario has to deal with an extensive amount of sensors and data generators, some of them placed in high mobile devices, deployed to collect and generate all type of information which will increase the number of communicating machines. This dissertation focuses on the development and implementation of a heterogeneous environmental sensing platform to serve as an infrastructure for Smart City applications. It aims to take advantage of the use of multiple communication technologies, namely long and short range. Being within an urban environment, the platform bene ts from an opportunistic and Delay Tolerant Network (DTN) through mobile entities that travel over the city, such as bicycles. Therefore, this dissertation proposes: (1) the design and development of the network and its elements; (2) an extension to a LoRa Medium Access Control (MAC) protocol in order to endow it with capabilities to operate in multi-gateway environments; and lastly, (3) new forwarding strategies for the opportunistic network that takes into consideration the network topology. The performed evaluations showed that the proposed multi-gateway LoRa MAC protocol contributes to increase the LoRa network scalability, as well as its performance. The performed tests to the proposed DTN forwarding strategies evaluate the impact of each strategy on the network behavior, namely the delivery ratio, network overhead, number of transmitted packets, among others. As a result, it is possible to perceive which are the in- uences introduced by the proposed functionalities on the overall solution, and identify the characteristics of a scalable solution to collect massive data in an IoT environment

Mobile Ad-Hoc Networks

Being infrastructure-less and without central administration control, wireless ad-hoc networking is playing a more and more important role in extending the coverage of traditional wireless infrastructure (cellular networks, wireless LAN, etc). This book includes state-of-the-art techniques and solutions for wireless ad-hoc networks. It focuses on the following topics in ad-hoc networks: quality-of-service and video communication, routing protocol and cross-layer design. A few interesting problems about security and delay-tolerant networks are also discussed. This book is targeted to provide network engineers and researchers with design guidelines for large scale wireless ad hoc networks

A Message Transfer Framework for Enhanced Reliability in Delay-and Disruption-Tolerant Networks

Many infrastructure-less networks require quick, ad hoc deployment and the ability to deliver messages even if no instantaneous end-to-end path can be found. Such networks include large-scale disaster recovery networks, mobile sensor networks for ecological monitoring, ocean sensor networks, people networks, vehicular networks and projects for connectivity in developing regions such as TIER (Technology and Infrastructure for Emerging Regions). These types of networks can be realized with delay-and disruption-tolerant network (DTN) technology. Generally, messages in DTNs are transferred hop-by-hop toward the destination in an overlay above the transport layer called the ''bundle layer''. Unlike mobile ad hoc networks (MANETs), DTNs can tolerate disruption on end-to-end paths by taking advantage of temporal links emerging between nodes as nodes move in the network. Intermediate nodes store messages before forwarding opportunities become available. A series of encounters (i.e., coming within mutual transmission range) among different nodes will eventually deliver the message to the desired destination. The message delivery performance (such as delivery ratio and delay) in a DTN highly depends on time elapsed between encounters (inter-contact time) and the time two nodes remain in each others communication range once a contact is established (contact-duration). As messages are forwarded opportunistically among nodes, it is important to have sufficient contact opportunities in the network for faster, more reliable delivery of messages. In this thesis, we propose a simple yet efficient method for increasing DTN performance by increasing the contact duration of encountered nodes (i.e., mobile devices). Our proposed sticky transfer framework and protocol enable nodes in DTNs to collect neighbors' information, evaluate their movement patterns and amounts of data to transfer in order to make decisions of whether to ''stick'' with a neighbor to complete the necessary data transfers. Nodes intelligently negotiate sticky transfer parameters such as stick duration, mobility speed and movement directions based on user preferences and collected information. The sticky transfer framework can be combined with any DTN routing protocol to improve its performance. Our simulation results show that the proposed framework can improve the message delivery ratio by up to 38% and the end-to-end message transfer delay by up to 36%

Computer-network Solutions for Pervasive Computing

Lo scenario delle reti di comunicazione di tipo wireless sta rapidamente evolvendo verso i sistemi pervasivi in cui i dispositivi wireless, di diversi tipi e grandezze, costituiscono parte integrante dell’ambiente in cui sono immersi, ed interagiscono continuamente ed in maniera trasparente con gli utenti che vi vivono o che lo attraversano. Si parla a tal proposito anche di ambienti intelligenti. Seguendo l’evoluzione dai sistemi mobili a quelli pervasivi, questa tesi rivisita diversi tipi di ambienti wireless che si sono sviluppati e diffusi negli ultimi 20 anni: a partire dalle wireless LANs, proseguendo con le reti ad hoc, per finire con le reti opportunistiche. Sebbene molte problematiche delle reti wireless si ripropongano in quasi tutti gli scenari (ad esempio il risparmio energetico), a scenari wireless diversi corrispondono in genere utilizzi differenti e diversi fabbisogni degli utenti, come pure problemi specifici che richiedono soluzioni dedicate. Alcune soluzioni specifiche sono analizzate e proposte in questa tesi. Le reti WLANs basate su infrastruttura sono usate generalmente per fornire accesso alla rete Internet ed infatti lo scenario che le comprende è solitamente riferito come Wireless Internet. Nonostante la presenza dell’infrastruttuta fissa garantisca in generale una trasmissione di dati affidabile, l’utilizzo di questo tipo di reti per fornire esattamente gli stessi tipi di servizi delle reti fisse provoca un elevato consumo di risorse che all’interno delle WLANs sono invece limitate. Inoltre l’utilizzo dei protocolli dello stack TCP/IP sui link wireless è di solito fonte di inefficienze viste le profonde differenze esistenti fra i link wireless e quelli fissi. La progettazione di servizi in uno scenario di wireless Internet ha come primario obiettivo quello di garantire la fruizione da parte degli utenti mobili senza soluzione di continuità, mascherando così la presenza del link wireless che ha banda nominale inferiore rispetto ai link fissi ed è soggetto a maggiori perdite, e supportando la mobilità degli utenti all’interno delle zone di copertura (handoff). La gestione dei servizi di wireless Internet deve sempre essere integrata con soluzioni di risparmio energetico tese ad allungare il più possibile l’autonomia energetica dei dispositivi degli utenti (alimentati a batteria) garantendo così loro un servizio duraturo nel tempo. Abbiamo studiato una soluzione per servizi di streaming audio-video verso terminali mobili in un ambiente di wireless LAN. Oltre a garantire la continuità della riproduzione multimediale con buona qualità, questa soluzione ottimizza il consumo energetico del terminale wireless agendo sulla scheda di rete wireless. Durante lo streaming infatti, la scheda di rete viene periodicamente messa in uno stato a basso consumo energetico (sleep). I periodi di sleep della scheda vengono calcolati adattivamente in funzione dello stato di avanzamento della riproduzione multimediale e della banda disponibile istantaneamente sul canale wireless opportunamente monitorato. Il riposo della scheda di rete non incide sul processo di riproduzione e quindi sulla qualità del servizio percepita dall’utente mobile. A differenza delle WLANs, le reti MANETs sono prive di infrastruttura fissa ed i nodi che vi partecipano si autoconfigurano ed autoorganizzano tra di loro. Le MANETs si mostrano particolarmente adatte ad esigenze temporanee di gruppi di utenti che vogliano condividere dati, scambiarsi messaggi, o altro. Uno dei principali interessi di ricerca nell’ambito delle reti MANETs ha riguardato storicamente lo studio dei protocolli di routing per l’instradamento delle informazioni fra nodi sorgente e nodi destinatari. In una rete MANET infatti, vista l’assenza di infrastruttura, ogni nodo è coinvolto nella funzione di instradamento. Negli ultimi anni tuttavia, un nuovo aspetto di ricerca sta acquistando sempre maggiore attenzione e riguarda la sperimentazione su testbed reali. Le poche esperienze sperimentali eseguite su MANETs hanno dimostrato l’inadeguatezza degli studi di tipo analitico-simulativo nel giudicare l’efficacia delle soluzioni progettate per reti MANETs. Questo è principalmente dovuto al fatto che gli scenari wireless sono estremamente complessi e soggetti a fenomeni di diversa natura che influiscono sulle comunicazioni ma che sono difficilmente condensabili in un modello analitico completo. I modelli esistenti nei simulatori attualmente diffusi sono spesso causa di errori nel validare o al contrario bocciare le soluzioni ed i protocolli testati. Le attività di sperimentazione su testbed reali hanno dunque un duplice scopo: i) validare protocolli e soluzioni proposte attualmente, e ii) gettare le basi per la costruizione di nuovi modelli analitici e simulativi che siano maggiormente attendibili di quelli attuali. L’esperienza condotta su di un testbed reale per reti ad hoc comprendente portatili e palmari fino ad un totale di 12 nodi, ha dimostrato l’efficacia delle implementazioni di due protocolli di routing: AODV (Ad hoc On demand Distance Vector) ed OLSR (Optimized Link State Routing). Tuttavia, benchè entrambi siano funzionalmente corretti, mostrano comportamenti differenti quando usati per supportare servizi di livello middleware ed applicativi (vedi ad esempio file sharing o trasferimenti ftp). In particolare, i ritardi causati dalla scoperta delle rotte in AODV sono spesso causa di inefficienze o addirittura di interruzione del servizio. OLSR invece, seppure responsabile di un overhead di traffico maggiore, si mostra maggiormente adatto alle interazioni con i servizi dei livelli superiori. Infine, l’esperienza ha dimostrato la necessità di ripensare molti dei servizi disponibili su rete fissa per adeguarli alle caratteristiche delle reti wireless e particolarmente di quelle ad hoc. Una nuova tipologia di reti wireless sta emergendo attualmente e si sta rivelando di particolare interesse: quella delle reti opportunistiche. Le reti opportunistiche non si appoggiano su alcuna infrastruttura fissa, né cercano di autoconfigurarsi in una infrastruttura wireless temporanea costituita da nodi vicini. Sfruttano le opportunità di contatto che si verificano fra i nodi (dispositivi wireless di piccola taglia) trasportati dagli utenti nelle loro attività quotidiane (ad esempio a lavoro, sugli autobus, a scuola o all’università, ecc.). I messaggi sono scambiati ogni qualvolta si renda possibile, ovunque sia possibile ed il successo della loro trasmissione è strettamente legato alle dinamiche sociali in cui sono coinvolti gli utenti che trasportano i dispositivi ed alla storia degli incontri tra individui. Data la mobilità estremamente elevata che caratterizza questo nuovo scenario di reti, e la nota rumorosità delle comunicazioni wireless, l’affidabilità delle trasmissioni emerge come uno dei fattori di principale interesse. Infatti, le comunicazioni possono aver luogo soltanto durante i periodi di contatto tra i nodi e devono essere estremamente veloci ed efficaci. Questo porta a dover fare uno sforzo di progettazione per nuovi protocolli di comunicazione che si diversifichino da quelli oggi più diffusi e basati sulla ritrasmissione dei dati mancanti. Le ritrasmissioni infatti, nella maggior parte dei casi potrebbero non poter essere eseguite per mancanza di tempo. Una strategia valida per gestire l’affidabilità delle comunicazioni opportunistiche in simili scenari estremi (caratterizzati cioè da scarse risorse e scarsa connettività) prevede l’utilizzo combinato di tecniche di codifica dei dati e strategie di instradamento di tipo epidemico. Questo approccio sfrutta la ridondanza sia delle informazioni, sia dei percorsi. La ridondanza delle informazioni dà robustezza a fronte della perdita dei dati in rete poiché è necessario che soltanto un sottoinsieme dei codici generati arrivi a destinazione per consentire al ricostruzione corretta delle informazioni. La ridondanza dei percorsi invece è necessaria poichè non è possibile predirre in anticipo la sequenza dei contatti che può portare i dati a destinazione e pertanto è necessario distribuire l’informazione in più direzioni. Le reti opportunistiche caratterizzate dalla presenza di dispositivi con limitata autonomia energetica e risorse limitate, offrono attualmente lo scenario che meglio traduce il concetto di sistemi pervasivi. Di particolare interesse è il caso delle reti di sensori sparse in cui i sensori sono disposti nell’ambiente con funzione di monitoraggio ed i dati che collezionano vengono raccolti da degli agenti mobili che passano nelle vicinanze e che sono noti come data MULEs. I data MULEs possono utilizzare le informazioni acquisite dai sensori per eseguire applicazioni dipendenti dal contesto o possono semplicemente inoltrarle fino a quando raggiungono l’infrastruttura dove vengono elaborati e memorizzati. Le interazioni fra i sensori immersi nell’ambiente ed i data MULEs sono soltanto un primo passo di un sistema di comunicazione globale completamente opportunistico in cui i data MULEs scambiano l’un l’altro le informazioni che trasportano fino a quando infine, i dati pervengono alle destinazioni più lontane. In questo scenario, le comunicazioni wireless completano naturalmente le interazioni fra gli utenti e si verificano ogni qualvolta gli utenti si incontrano oppure si avvicinano casualmente l’un l’altro, dovunque questa interazione avvenga. Per supportare un simile framework, è necessario sviluppare nuovi paradigmi di comunicazione che tengano in considerazione l’assenza di link stabili tra i nodi che comunicano (connettività intermittente) e che assumano quindi la disponibilità di brevi periodi di contatto per comunicare. Inoltre i nuovi paradigmi di comunicazione devono generalmente assumere l’assenza di un percorso completo fra i nodi sorgente e destinatario e sfruttare invece forme di instradamento delle informazioni che sono simili al modo in cui avvengono le interazioni sociali fra le persone. Strategie di instradamento basate su codifica dei dati offrono una valida soluzione per supportare il framework emergente dei sistemi pervasivi

Efficient mechanisms to provide fault tolerance in interconnection networks for pc clusters

Actualmente, los clusters de PC son un alternativa rentable a los computadores paralelos. En estos sistemas, miles de componentes (procesadores y/o discos duros) se conectan a través de redes de interconexión de altas prestaciones. Entre las tecnologías de red actualmente disponibles para construir clusters, InfiniBand (IBA) ha emergido como un nuevo estándar de interconexión para clusters. De hecho, ha sido adoptado por muchos de los sistemas más potentes construidos actualmente (lista top500). A medida que el número de nodos aumenta en estos sistemas, la red de interconexión también crece. Junto con el aumento del número de componentes la probabilidad de averías aumenta dramáticamente, y así, la tolerancia a fallos en el sistema en general, y de la red de interconexión en particular, se convierte en una necesidad. Desafortunadamente, la mayor parte de las estrategias de encaminamiento tolerantes a fallos propuestas para los computadores masivamente paralelos no pueden ser aplicadas porque el encaminamiento y las transiciones de canal virtual son deterministas en IBA, lo que impide que los paquetes eviten los fallos. Por lo tanto, son necesarias nuevas estrategias para tolerar fallos. Por ello, esta tesis se centra en proporcionar los niveles adecuados de tolerancia a fallos a los clusters de PC, y en particular a las redes IBA. En esta tesis proponemos y evaluamos varios mecanismos adecuados para las redes de interconexión para clusters. El primer mecanismo para proporcionar tolerancia a fallos en IBA (al que nos referimos como encaminamiento tolerante a fallos basado en transiciones; TFTR) consiste en usar varias rutas disjuntas entre cada par de nodos origen-destino y seleccionar la ruta apropiada en el nodo fuente usando el mecanismo APM proporcionado por IBA. Consiste en migrar las rutas afectadas por el fallo a las rutas alternativas sin fallos. Sin embargo, con este fin, es necesario un algoritmo eficiente de encaminamiento capaz de proporcionar suficientesMontañana Aliaga, JM. (2008). Efficient mechanisms to provide fault tolerance in interconnection networks for pc clusters [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/2603Palanci