Opportunistic P2P Communications in Delay-Tolerant Rural Scenarios

Opportunistic networking represents a promising paradigm for support of communications, specifically in infrastructureless scenarios such as remote areas communications. In principle in opportunistic environments, we would like to make available all the applications thought for traditional wired and wireless networks like file-sharing and content distribution. In this paper, we present a delay-tolerant scenario for file sharing applications in rural areas, where an opportunistic approach is exploited. In order to support communications, we compare two peer-to-peer (P2P) schemes initially conceived for wireless networks and prove their applicability and usefulness to a DTN scenario, where replication of resources can be used to improve the lookup performance and the network can be occasionally connected by means of a data mule. Simulation results show the suitability of the schemes and allow to derive interesting design guidelines on the convenience and applicability of such approaches

Hybrid performance modelling of opportunistic networks

We demonstrate the modelling of opportunistic networks using the process algebra stochastic HYPE. Network traffic is modelled as continuous flows, contact between nodes in the network is modelled stochastically, and instantaneous decisions are modelled as discrete events. Our model describes a network of stationary video sensors with a mobile ferry which collects data from the sensors and delivers it to the base station. We consider different mobility models and different buffer sizes for the ferries. This case study illustrates the flexibility and expressive power of stochastic HYPE. We also discuss the software that enables us to describe stochastic HYPE models and simulate them.Comment: In Proceedings QAPL 2012, arXiv:1207.055

Conception d’un support de communication opportuniste pour les services pervasifs

The vision of pervasive computing of building interactive smart spaces in the physical environment is gradually heading from the research domain to reality. Computing capacity is moving beyond personal computers to many day-to-day devices, and these devices become, thanks to multiple interfaces, capable of communicating directly with one another or of connecting to the Internet.In this thesis, we are interested in a kind of pervasive computing environment that forms what we call an Intermittently Connected Hybrid Network (ICHN). An ICHN is a network composed of two parts: a fixed and a mobile part. The fixed part is formed of some fixed infostations (potentially connected together with some fixed infrastructure, typically the Internet). The mobile part, on the other hand, is formed of smartphones carried by nomadic people. While the fixed part is mainly stable, the mobile part is considered challenging and form what is called an Opportunistic Network. Indeed, relying on short-range communication means coupled with the free movements of people and radio interferences lead to frequent disconnections. To perform a network-wide communication, the "store, carry and forward" approach is usually applied. With this approach, a message can be stored temporarily on a device, in order to be forwarded later when circumstances permit. Any device can opportunistically be used as an intermediate relay to facilitate the propagation of a message from one part of the network to another. In this context, the provisioning of pervasive services is particularly challenging, and requires revisiting important components of the provisioning process, such as performing pervasive service discovery and invocation with the presence of connectivity disruptions and absence of both end-to-end paths and access continuity due to user mobility. This thesis addresses the problems of providing network-wide service provisioning in ICHNs and proposes solutions for pervasive service discovery, invocation and access continuity. Concerning service discovery challenge, we propose TAO-DIS, a service discovery protocol that performs an automatic and fast service discovery mechanism. TAO-DIS takes into account the hybrid nature of an ICHN and that the majority of services are provided by infostations. It permits mobile users to discover all the services in the surrounding environment in order to identify and choose the most convenient ones. To allow users to interact with the discovered services, we introduce TAO-INV. TAO-INV is a service invocation protocol specifically designed for ICHNs. It relies on a set of heuristics and mechanisms that ensures performing efficient routing of messages (both service requests and responses) between fixed infostations and mobile clients while preserving both low values of overhead and round trip delays. Since some infostations in the network might be connected, we propose a soft handover mechanism that modifies the invocation process in order to reduce service delivery delays. This handover mechanism takes into consideration the opportunistic nature of the mobile part of the ICHN. We have performed various experiments to evaluate our solutions and compare them with other protocols designed for ad hoc and opportunistic networks. The obtained results tend to prove that our solutions outperform these protocols, namely thanks to the optimizations we have developed for ICHNs. In our opinion, building specialized protocols that benefit from techniques specifically designed for ICHNs is an approach that should be pursued, in complement with research works on general-purpose communication protocolsLa vision de l'informatique ubiquitaire permettant de construire des espaces intelligents interactifs dans l'environnement physique passe, peu à peu, du domaine de la recherche à la réalité. La capacité de calcul ne se limite plus à l'ordinateur personnel mais s'intègre dans de multiples appareils du quotidien, et ces appareils deviennent, grâce à plusieurs interfaces, capables de communiquer directement les uns avec les autres ou bien de se connecter à Internet.Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à un type d'environnement cible de l'informatique ubiquitaire qui forme ce que nous appelons un réseau hybride à connexions intermittentes (ICHN). Un ICHN est un réseau composé de deux parties : une partie fixe et une partie mobile. La partie fixe est constituée de plusieurs infostations fixes (potentiellement reliées entre elles avec une infrastructure fixe, typiquement l'Internet). La partie mobile, quant à elle, est constituée de smartphones portés par des personnes nomades. Tandis que la partie fixe est principalement stable, la partie mobile pose un certain nombre de défis propres aux réseaux opportunistes. En effet, l'utilisation de moyens de communication à courte portée couplée à des déplacements de personnes non contraints et à des interférences radio induit des déconnexions fréquentes. Le concept du "store, carry and forward" est alors habituellement appliqué pour permettre la communication sur l'ensemble du réseau. Avec cette approche, un message peut être stocké temporairement sur un appareil avant d'être transféré plus tard quand les circonstances sont plus favorables. Ainsi, n'importe quel appareil devient un relai de transmission opportuniste qui permet de faciliter la propagation d'un message dans le réseau. Dans ce contexte, la fourniture de services est particulièrement problématique, et exige de revisiter les composants principaux du processus de fourniture, tels que la découverte et l'invocation de service, en présence de ruptures de connectivité et en l'absence de chemins de bout en bout. Cette thèse aborde les problèmes de fourniture de service sur l'ensemble d'un ICHN et propose des solutions pour la découverte de services, l'invocation et la continuité d'accès. En ce qui concerne le défi de la découverte de services, nous proposons TAO-DIS, un protocole qui met en œuvre un mécanisme automatique et rapide de découverte de services. TAO-DIS tient compte de la nature hybride d'un ICHN et du fait que la majorité des services sont fournis par des infostations. Il permet aux utilisateurs mobiles de découvrir tous les services dans l'environnement afin d'identifier et de choisir les plus intéressants. Pour permettre aux utilisateurs d'interagir avec les services découverts, nous introduisons TAO-INV. TAO-INV est un protocole d'invocation de service spécialement conçu pour les ICHN. Il se fonde sur un ensemble d'heuristiques et de mécanismes qui assurent un acheminement efficace des messages (des requêtes et des réponses de services) entre les infostations fixes et les clients mobiles tout en conservant un surcoût et des temps de réponses réduits. Puisque certaines infostations dans le réseau peuvent être reliées entre elles, nous proposons un mécanisme de continuité d'accès (handover) qui modifie le processus d'invocation pour réduire les délais de délivrance. Dans sa définition, il est tenu compte de la nature opportuniste de la partie mobile de l'ICHN. Nous avons mené diverses expérimentations pour évaluer nos solutions et les comparer à d'autres protocoles conçus pour des réseaux ad hoc et des réseaux opportunistes. Les résultats obtenus tendent à montrer que nos solutions surpassent ces autres protocoles, notamment grâce aux optimisations que nous avons développées pour les ICHN. À notre avis, construire des protocoles spécialisés qui tirent parti des techniques spécifiquement conçues pour les ICHN est une approche à poursuivre en complément des recherches sur des protocoles de communication polyvalent

A reputation-based mechanism to mitigate host misbehaviors in DTNs

Delay Tolerant Networking (DTN) is a network paradigm designed for disconnected networks. Message delivery in DTNs relies on the mobility of carriers, hosts that carry messages from a network partition to another. Context-Aware Adaptive Routing (CAR) is a routing protocol for DTNs with the aim to select the carrier with the highest chance of successful message delivery. CAR relies on the assumption that all hosts in the network are collaborative, i.e. that cooperate in the message forwarding process. In real-life environments hosts can not cooperate in such process and endanger communication among partitions. We propose RCAR, a decentralized approach based on reputation aimed to detect and exclude misbehaving hosts from the network. Simulation tests made on a human mobility model show that RCAR increases the message delivery probability of CAR in presence of misbehaving carriers. Delay Tolerant Networking (DTN) è un paradigma di comunicazione progettato per reti caratterizzate da elevati ritardi e frequenti disconnessioni. La comunicazione fra dispositivi posizionati in partizioni di rete differenti avviene sfruttando la mobilità dei cosiddetti carriers, dispositivi che trasportano fisicamente un messaggio da una partizione di rete all'altra per conto di un altro dispositivo. Context-Aware Adaptive Routing (CAR) è un protocollo di routing per DTN che seleziona il carrier avente la più elevata probabilità di corretta consegna di un messaggio. Il corretto funzionamento di CAR fa affidamento sulla collaborazione di tutti i carriers nel processo di consegna di un messaggio. In sistemi reali però i carriers possono non partecipare a tale processo, mettendo quindi a rischio la comunicazione. Questo documento presenta RCAR, un meccanismo di sicurezza basato sul concetto di reputazione volto ad individuare ed escludere i carriers non collaborativi dal processo di consegna dei messaggi. I risultati di simulazioni effettuate utilizzando un modello di mobilità realistico dei dispositivi mostrano come RCAR aumenti la percentuale di messaggi consegnati correttamente rispetto a CAR in presenza di carriers non collaborativi

Social relationship based routing for delay tolerant Bluetooth-enabled PSN communications

PhDOpportunistic networking is a concept derived from the mobile ad hoc networking in which devices have no prior knowledge of routes to the intended destinations. Content dissemination in opportunistic networks thus is carried out in a store and forward fashion. Opportunistic routing poses distinct challenges compared to the traditional networks such as Internet and mobile ad hoc networks where nodes have prior knowledge of the routes to the intended destinations. Information dissemination in opportunistic networks requires dealing with intermittent connectivity, variable delays, short connection durations and dynamic topology. Addressing these challenges becomes a significant motivation for developing novel applications and protocols for information dissemination in opportunistic networks. This research looks at opportunistic networking, specifically at networks composed of mobile devices or, pocket switched networks. Mobile devices are now accepted as an integral part of society and are often equipped with Bluetooth capabilities that allow for opportunistic information sharing between devices. The ad hoc nature of opportunistic networks means nodes have no advance routing knowledge and this is key challenge. Human social relationships are based on certain patterns that can be exploited to make opportunistic routing decisions. Targeting nodes that evidence high popularity or high influence can enable more efficient content dissemination. Based on this observation, a novel impact based neighbourhood algorithm called Lobby Influence is presented. The algorithm is tested against two previously proposed algorithms and proves better in terms of message delivery and delay. Moreover, unlike other social based algorithms, which have a tendency to concentrate traffic through their identified routing nodes, the new algorithm provides a fairer load distribution, thus alleviating the tendency to saturate individual nodes

Message forwarding techniques in Bluetooth enabled opportunistic communication environment

These days, most of the mobile phones are smart enough with computer like intelligence and equipped with multiple communication technologies such as Bluetooth, wireless LAN, GPRS and GSM. Different communication medium on single device have unlocked the new horizon of communication means. Modern mobile phones are not only capable of using traditional way of communication via GSM or GPRS; but, also use wireless LANs using access points where available. Among these communication means, Bluetooth technology is very intriguing and unique in nature. Any two devices equipped with Bluetooth technology can communicate directly due to their unique IDs in the world. This is opposite to GSM or Wireless LAN technology; where devices are dependent on infrastructure of service providers and have to pay for their services. Due to continual advancement in the field of mobile technology, mobile ad-hoc network seems to be more realised than ever using Bluetooth. In traditional mobile ad-hoc networks (MANETs), before information sharing, devices have partial or full knowledge of routes to the destinations using ad-hoc routing protocols. This kind of communication can only be realised if nodes follow the certain pattern. However, in reality mobile ad-hoc networks are highly unpredictable, any node can join or leave network at any time, thus making them risky for effective communication. This issue is addressed by introducing new breed of ad-hoc networking, known as opportunistic networks. Opportunistic networking is a concept that is evolved from mobile ad-hoc networking. In opportunistic networks nodes have no prior knowledge of routes to intended destinations. Any node in the network can be used as potential forwarder with the exception of taking information one step closer to intended destination. The forwarding decision is based on the information gathered from the source node or encountering node. The opportunistic forwarding can only be achieved if message forwarding is carried out in store and forward fashion. Although, opportunistic networks are more flexible than traditional MANETs, however, due to little insight of network, it poses distinct challenges such as intermittent connectivity, variable delays, short connection duration and dynamic topology. Addressing these challenges in opportunistic network is the basis for developing new and efficient protocols for information sharing. The aim of this research is to design different routing/forwarding techniques for opportunistic networks to improve the overall message delivery at destinations while keeping the communication cost very low. Some assumptions are considered to improved directivity of message flow towards intended destinations. These assumptions exploit human social relationships analogies, approximate awareness of the location of nodes in the network and use of hybrid communication by combining several routing concept to gain maximum message directivity. Enhancement in message forwarding in opportunistic networks can be achieved by targeting key nodes that show high degree of influence, popularity or knowledge inside the network. Based on this observation, this thesis presents an improved version of Lobby Influence (LI) algorithm called as Enhanced Lobby Influence (ELI). In LI, the forwarding decision is based on two important factors, popularity of node and popularity of node’s neighbour. The forwarding decision of Enhanced Lobby Influence not only depends on the intermediate node selection criteria as defined in Lobby Influence but also based on the knowledge of previously direct message delivery of intended destination. An improvement can be observed if nodes are aware of approximate position of intended destinations by some communication means such as GPS, GSM or WLAN access points. With the knowledge of nodes position in the network, high message directivity can be achieved by using simple concepts of direction vectors. Based on this observation, this research presents another new algorithm named as Location-aware opportunistic content forwarding (LOC). Last but not least, this research presents an orthodox yet unexplored approach for efficient message forwarding in Bluetooth communication environment, named as Hybrid Content Forwarding (HCF). The new approach combines the characteristics of social centrality based forwarding techniques used in opportunistic networks with traditional MANETs protocols used in Bluetooth scatternets. Simulation results show that a significant increase in delivery radio and cost reduction during content forwarding is observed by deploying these proposed algorithms. Also, comparison with existing technique shows the efficiency of using the new schemes

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