Predictable Disruption Tolerant Networks and Delivery Guarantees

This article studies disruption tolerant networks (DTNs) where each node knows the probabilistic distribution of contacts with other nodes. It proposes a framework that allows one to formalize the behaviour of such a network. It generalizes extreme cases that have been studied before where (a) either nodes only know their contact frequency with each other or (b) they have a perfect knowledge of who meets who and when. This paper then gives an example of how this framework can be used; it shows how one can find a packet forwarding algorithm optimized to meet the 'delay/bandwidth consumption' trade-off: packets are duplicated so as to (statistically) guarantee a given delay or delivery probability, but not too much so as to reduce the bandwidth, energy, and memory consumption.Comment: 9 page

Design and Performance Analysis of Opportunistic Routing Protocols for Delay Tolerant Networks

Delay Tolerant Networks (DTNs) are characterized by the lack of continuous end-to-end connections because of node mobility, constrained power sources, and limited data storage space of some or all of its nodes. Applications of DTNs include vehicular networks and sensor networks in suburban and rural areas. The intermittent connection in DTNs creates a new and challenging environment that has not been tackled before in wireless and wired networks. Traditional routing protocols fail to deliver data packets because they assume the existence of continuous end-to-end connections. To overcome the frequent disconnections, a DTN node is required to store data packets for long periods of time until it becomes in the communication range of other nodes. In addition, to increase the delivery probability, a DTN node spreads multiple copies of the same packet on the network so that one of the copies reaches the destination. Given the limited storage and energy resources of DTN nodes, there is a trade off between maximizing delivery and minimizing storage and energy consumption. DTN routing protocols can be classified as either blind routing, in which no information is provided to select the next node in the path, or guided routing, in which some network information is used to guide data packets to their destinations. In addition they differ in the amount of overhead they impose on the network and its nodes. The objective of DTN routing protocols is to deliver as many packets as possible. Acquiring network information helps in maximizing packet delivery probability and minimizing the network overhead resulting from replicating many packet copies. Network information could be node contact times and durations, node buffer capacities, packet lifetimes, and many others. The more information acquired, the higher performance could be achieved. However, the cost of acquiring the network information in terms of delay and storage could be high to the degree that render the protocol impractical. In designing a DTN routing protocol, the trade-off between the benefits of acquiring information and its costs should be considered. In this thesis, we study the routing problem in DTN with limited resources. Our objective is to design and implement routing protocols that effectively handles the intermittent connection in DTNs to achieve high packet delivery ratios with lower delivery cost. Delivery cost is represented in terms of number of transmissions per delivered packet. Decreasing the delivery cost means less network overhead and less energy consumption per node. In order to achieve that objective, we first target the optimal results that could be achieved in an ideal scenario. We formulate a mathematical model for optimal routing, assuming the presence of a global observer that can collect information about all the nodes in the network. The optimal results provide us with bounds on the performance metrics, and show the room for improvement that should be worked on. However, optimal routing with a global observer is just a theoretical model, and cannot be implemented practically. In DTNs, there is a need for a distributed routing protocol which utilizes local and easily-collectable data. Therefore, We investigate the different types of heuristic (non-optimal) distributed routing protocols, showing their strengths and weaknesses. Out of the large collection of protocols, we select four protocols that represent different routing classes and are well-known and highly referred by others working in the same area. We implement the protocols using a DTN simulator, and compare their performance under different network and node conditions. We study the impact of changing the node buffer capacities, packet lifetimes, number of nodes, and traffic load on their performance metrics, which are the delivery ratio, delivery cost, and packet average delay. Based on these comparisons, we draw conclusions and guidelines to design an efficient DTN routing protocol. Given the protocol design guidelines, we develop our first DTN routing protocol, Eco-Friendly Routing for DTN (EFR-DTN), which combines the strengths of two of the previously proposed protocols to provide better delivery ratio with low network overhead (less power consumption). The protocol utilizes node encounters to estimate the route to destination, while minimizing the number of packet copies throughout the network. All current DTN routing protocols strive to estimate the route from source to destination, which requires collecting information about node encounters. In addition to the overhead it imposes on the network to collect this information, the time to collect this information could render the data worthless to propagate through the network. Our next proposal is a routing protocol, Social Groups Based Routing (SGBR), which uses social relations among network nodes to exclude the nodes that are not expected to significantly increase the probability of delivering the packet to its destination. Using social relations among nodes, detected from node encounters, every group of nodes can form a social group. Nodes belonging to the same social group are expected to meet each other frequently, and meet nodes from other groups less frequently. Spreading packet copies inside the same social group is found to be of low-added value to the carrying node in delivering a packet to its destination. Therefore, our proposed routing protocol spreads the packet copies to other social groups, which decreases the number of copies throughout the network. We compare the new protocol with the optimal results and the existing well-known routing protocols using real-life simulations. Results show that the proposed protocol achieves higher delivery ratio and less average delay compared to other protocols with significant reduction in network overhead. Finally, we discuss the willingness of DTN nodes to cooperate in routing services. From a network perspective, all nodes are required to participate in delivering packets of each other. From a node perspective, minimizing resource consumption is a critical requirement. We investigate the degree of fair cooperation where all nodes are satisfied with their participation in the network routing services. A new credit-based system is implemented to keep track of and reward node participation in packet routing. Results show that the proposed system improves the fairness among nodes and increases their satisfaction

An adaptive approach for optimized opportunistic routing over Delay Tolerant Mobile Ad hoc Networks

This thesis presents a framework for investigating opportunistic routing in Delay Tolerant Mobile Ad hoc Networks (DTMANETs), and introduces the concept of an Opportunistic Confidence Index (OCI). The OCI enables multiple opportunistic routing protocols to be applied as an adaptive group to improve DTMANET routing reliability, performance, and efficiency. The DTMANET is a recently acknowledged networkarchitecture, which is designed to address the challenging and marginal environments created by adaptive, mobile, and unreliable network node presence. Because of its ad hoc and autonomic nature, routing in a DTMANET is a very challenging problem. The design of routing protocols in such environments, which ensure a high percentage delivery rate (reliability), achieve a reasonable delivery time (performance), and at the same time maintain an acceptable communication overhead (efficiency), is of fundamental consequence to the usefulness of DTMANETs. In recent years, a number of investigations into DTMANET routing have been conducted, resulting in the emergence of a class of routing known as opportunistic routing protocols. Current research into opportunistic routing has exposed opportunities for positive impacts on DTMANET routing. To date, most investigations have concentrated upon one or other of the quality metrics of reliability, performance, or efficiency, while some approaches have pursued a balance of these metrics through assumptions of a high level of global knowledge and/or uniform mobile device behaviours. No prior research that we are aware of has studied the connection between multiple opportunistic elements and their influences upon one another, and none has demonstrated the possibility of modelling and using multiple different opportunistic elements as an adaptive group to aid the routing process in a DTMANET. This thesis investigates OCI opportunities and their viability through the design of an extensible simulation environment, which makes use of methods and techniques such as abstract modelling, opportunistic element simplification and isolation, random attribute generation and assignment, localized knowledge sharing, automated scenario generation, intelligent weight assignment and/or opportunistic element permutation. These methods and techniques are incorporated at both data acquisition and analysis phases. Our results show a significant improvement in all three metric categories. In one of the most applicable scenarios tested, OCI yielded a 31.05% message delivery increase (reliability improvement), 22.18% message delivery time reduction (performance improvement), and 73.64% routing depth decrement (efficiency improvement). We are able to conclude that the OCI approach is feasible across a range of scenarios, and that the use of multiple opportunistic elements to aid decision-making processes in DTMANET environments has value

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