Supporting Large Scale Communication Systems on Infrastructureless Networks Composed of Commodity Mobile Devices: Practicality, Scalability, and Security.

Infrastructureless Delay Tolerant Networks (DTNs) composed of commodity mobile devices have the potential to support communication applications resistant to blocking and censorship, as well as certain types of surveillance. In this thesis we study the utility, practicality, robustness, and security of these networks. We collected two sets of wireless connectivity traces of commodity mobile devices with different granularity and scales. The first dataset is collected through active installation of measurement software on volunteer users' own smartphones, involving 111 users of a DTN microblogging application that we developed. The second dataset is collected through passive observation of WiFi association events on a university campus, involving 119,055 mobile devices. Simulation results show consistent message delivery performances of the two datasets. Using an epidemic flooding protocol, the large network achieves an average delivery rate of 0.71 in 24 hours and a median delivery delay of 10.9 hours. We show that this performance is appropriate for sharing information that is not time sensitive, e.g., blogs and photos. We also show that using an energy efficient variant of the epidemic flooding protocol, even the large network can support text messages while only consuming 13.7% of a typical smartphone battery in 14 hours. We found that the network delivery rate and delay are robust to denial-of-service and censorship attacks. Attacks that randomly remove 90% of the network participants only reduce delivery rates by less than 10%. Even when subjected to targeted attacks, the network suffered a less than 10% decrease in delivery rate when 40% of its participants were removed. Although structurally robust, the openness of the proposed network introduces numerous security concerns. The Sybil attack, in which a malicious node poses as many identities in order to gain disproportionate influence, is especially dangerous as it breaks the assumption underlying majority voting. Many defenses based on spatial variability of wireless channels exist, and we extend them to be practical for ad hoc networks of commodity 802.11 devices without mutual trust. We present the Mason test, which uses two efficient methods for separating valid channel measurement results of behaving nodes from those falsified by malicious participants.PhDElectrical Engineering: SystemsUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/120779/1/liuyue_1.pd

Energy Efficient Protocols for Delay Tolerant Networks

The delay tolerant networks (DTNs) is characterized by frequent disconnections and long delays of links among devices due to mobility, sparse deployment of devices, attacks, and noise, etc. Considerable research efforts have been devoted recently to DTNs enabling communications between network entities with intermittent connectivity. Unfortunately, mobile devices have limited energy capacity, and the fundamental problem is that traditional power-saving mechanisms are designed assuming well connected networks. Due to much larger inter-contact durations than contact durations, devices spend most of their life time in the neighbor discovery, and centralized power-saving strategies are difficult. Consequently, mobile devices consume a significant amount of energy in the neighbor discovery, rather than in infrequent data transfers. Therefore, distributed energy efficient neighbor discovery protocols for DTNs are essential to minimize the degradation of network connectivity and maximize the benefits from mobility. In this thesis, we develop sleep scheduling protocols in the medium access control (MAC) layer that are adaptive and distributed under different clock synchronization conditions: synchronous, asynchronous, and semi-asynchronous. In addition, we propose a distributed clock synchronization protocol to mitigate the clock synchronization problem in DTNs. Our research accomplishments are briefly outlined as follows: Firstly, we design an adaptive exponential beacon (AEB) protocol. By exploiting the trend of contact availability, beacon periods are independently adjusted by each device and optimized using the distribution of contact durations. The AEB protocol significantly reduces energy consumption while maintaining comparable packet delivery delay and delivery ratio. Secondly, we design two asynchronous clock based sleep scheduling (ACDS) protocols. Based on the fact that global clock synchronization is difficult to achieve in general, predetermined patterns of sleep schedules are constructed using hierarchical arrangements of cyclic difference sets such that devices independently selecting different duty cycle lengths are still guaranteed to have overlapping awake intervals with other devices within the communication range. Thirdly, we design a distributed semi-asynchronous sleep scheduling (DSA) protocol. Although the synchronization error is unavoidable, some level of clock accuracy may be possible for many practical scenarios. The sleep schedules are constructed to guarantee contacts among devices having loosely synchronized clocks, and parameters are optimized using the distribution of synchronization error. We also define conditions for which the proposed semi-asynchronous protocol outperforms existing asynchronous sleep scheduling protocols. Lastly, we design a distributed clock synchronization (DCS) protocol. The proposed protocol considers asynchronous and long delayed connections when exchanging relative clock information among nodes. As a result, smaller synchronization error achieved by the proposed protocol allows more accurate timing information and renders neighbor discovery more energy efficient. The designed protocols improve the lifetime of mobile devices in DTNs by means of energy efficient neighbor discoveries that reduce the energy waste caused by idle listening problems

Algorithms to Find Two-Hop Routing Policies in Multiclass Delay Tolerant Networks

Most of the literature on delay tolerant networks (DTNs) focuses on optimal routing policies exploiting a priori knowledge about nodes mobility traces. For the case in which no a priori knowledge is available (very common in practice), apart from basic epidemic routing, the main approaches focus on controlling two-hop routing policies. However, these latter results commonly employ fluid approximation techniques, which, in principle, do not provide any theoretical bound over the approximation ratio. In our work, we focus on the case without a priori mobility knowledge and we provide approximation algorithms with theoretical guarantees that can be applied to cases where the number of hops allowed in the routing process is arbitrary. Our approach is rather flexible allowing us to address heterogeneous mobility patterns and transmission technologies, to consider explicitly the signaling and transmission costs, and to include also nodes discarding packets after a local timeout. We then provide a comprehensive performance evaluation of our algorithms, showing that two-hop routing provides the best tradeoff between delay and energy and that, in this case, they find solutions very close to the optimal ones with a low overhead. Finally, we compare our methods against some state-of-the-art approaches by means of a DTN simulation environment in realistic settings

Delay tolerant network for Navy scenarios: quality-based approach

Mestrado em Engenharia Eletrónica e TelecomunicaçõesThe navy operations involve several participants that work between them with common objectives and usually under challenged communication conditions. There are natural constrains that are imposed by the operation environment, e.g. hilly terrains. There are also artificial constrains that are created by enemy elements which force conditions to affect the navy operation (or other military forces), e.g. intentional jamming. The military often uses proprietary devices to communicate between them. Despite of the effectiveness of these devices, they are expensive and usually offer a limited range of services. However, the recent technological advances allow the proliferation of several mobile devices with wireless communication capabilities and with the value to easily insert new features, but these devices are still not prepared to military networks in terms of communication. Thus, this dissertation proposes to use Delay Tolerant Networks (DTNs) with a new routing protocol Quality-PRoPHET (Q-PRoPHET) able to measure the quality of the wireless links and route the information using the connections with best quality, where the probability of transmission is higher. The Q-PRoPHET uses a quality function to evaluate the quality of the connections and a transitive property to route through multiple hops. This algorithm was implemented in IBR-DTN and it was evaluated in three scenarios that emulate three scenarios observed during the navy tactical operations. Two of these scenarios were tested inside a building and the last one was tested in an external environment using real mobility of the nodes. The obtained results show that Q-PRoPHET has better performance than PRoPHET in terms of delivery ratio, endto-end delay and packets transmission, which are critical parameters for the communication in navy operations.As operações da marinha envolvem vários intervenientes que trabalham entre si com objetivos comuns e frequentemente sob condições de comunicação desafiadoras. Existem constrangimentos naturais que são impostos pelo ambiente da operação, por exemplo, geografia acidentada do terreno. Existem também constrangimentos artificiais que são criados por elementos hostis que forçam condições de modo a prejudicar as operações da marinha (ou outras equipas militares), por exemplo, criação de interferência intencional. Os militares geralmente usam equipamentos de comunicação proprietários para comunicar entre si. Apesar da eficácia destes equipamentos, eles são caros e normalmente oferecem uma gama de serviços limitada. Contudo, os recentes avanços tecnológicos permitiram a proliferação de muitos dispositivos portáteis com capacidade de comunicação sem fios e com o valor de acrescentar novas funcionalidades de formas muito simples, mas estes dispositivos ainda não estão adaptados para as redes militares em termos de comunicação. Esta dissertação propõe usar Redes Tolerantes a Atrasos (DTNs) com um novo protocolo de encaminhamento QualityPRoPHET (Q-PRoPHET) capaz de medir a qualidade das ligações sem-fios e encaminhar a informação pelas ligações de melhor qualidade, onde a probabilidade de sucesso da transmissão é maior. O Q-PRoPHET usa uma função de qualidade para avaliar a qualidade das ligações e uma propriedade transitiva para encaminhamento a múltiplos saltos. Este algoritmo foi implementado no IBR-DTN e foi avaliado em três cenários que emulam três cenários observados durante operações táticas da Marinha. Dois destes cenários foram testados dentro de um edifício e o último foi testado em ambiente exterior, recorrendo a mobilidade real dos nós. Os resultados obtidos mostram que o Q-PRoPHET tem melhor desempenho que o PRoPHET em termos de taxa de entrega, tempo de entrega e transmissão de pacotes, que são parâmetros críticos para as comunicações das operações da marinha

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

Routing in the Space Internet: A contact graph routing tutorial

A Space Internet is possible, as long as the delay and disruption challenges imposed by the space environment are properly tackled. Because these conditions are not well addressed by terrestrial Internet, more capable Delay-Tolerant Networking (DTN) protocols and algorithms are being developed. In particular, the principles and techniques for routing among ground elements and spacecraft in near-Earth orbit and deep-space are enacted in the Contact Graph Routing (CGR) framework. CGR blends a set of non-trivial algorithm adaptations, space operations concepts, time-dynamic scheduling, and specific graph models. The complexity of that framework suggests a need for a focused discussion to facilitate its direct and correct apprehension. To this end, we present an in-depth tutorial that collects and organizes first-hand experience on researching, developing, implementing, and standardizing CGR. Content is laid out in a structure that considers the planning, route search and management, and forwarding phases bridging ground and space domains. We rely on intuitive graphical examples, supporting code material, and references to flight-grade CGR implementations details where pertinent. We hope this tutorial will serve as a valuable resource for engineers and that researchers can also apply the insights presented here to topics in DTN research.Fil: Fraire, Juan Andres. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; Argentina. Universitat Saarland; AlemaniaFil: De Jonckère, Olivier. Technische Universität Dresden; AlemaniaFil: Burleigh, Scott C.. California Institute of Technology; Estados Unido

From MANET to people-centric networking: Milestones and open research challenges

In this paper, we discuss the state of the art of (mobile) multi-hop ad hoc networking with the aim to present the current status of the research activities and identify the consolidated research areas, with limited research opportunities, and the hot and emerging research areas for which further research is required. We start by briefly discussing the MANET paradigm, and why the research on MANET protocols is now a cold research topic. Then we analyze the active research areas. Specifically, after discussing the wireless-network technologies, we analyze four successful ad hoc networking paradigms, mesh networks, opportunistic networks, vehicular networks, and sensor networks that emerged from the MANET world. We also present an emerging research direction in the multi-hop ad hoc networking field: people centric networking, triggered by the increasing penetration of the smartphones in everyday life, which is generating a people-centric revolution in computing and communications

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