Resource savings in delay tolerant networks

Tese de mestrado, Engenharia Informática (Engenharia de Software) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018Este documento foca-se no trabalho que foi feito na dissertação de mestrado no Departamento de Informática da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa ao longo de um ano. O objectivo inicial foi criar um protótipo de middleware em ambiente de simulador que servisse o propósito de facilitar disseminação de dados num ambiente urbano de cidade inteligente. Apesar de apontámos para uma solução mais genérica possível, por de trás deste objectivo e servindo de motivação existe um cenário de caso de uso no qual nos focámos. Este cenário descreve uma cidade na qual a recolha do lixo tem que ser otimizada e em cada caixote existe um sensor que produz leituras do nível atual de enchimento. O desafio coloca-se em disseminar a informação produzida por estes sensores de uma forma eficaz e sem grandes gastos de recursos. Como tal, recorremos ao facto de já existir uma infraestrutura subjacente para resolver o problema. Através da utilização de carros de polícia, bombeiros, táxis ou por exemplo camiões do lixo, fazemos com que estes ajudem na recolha das leituras feitas pelos sensores. O facto de esta recolha de leituras ser feita localmente por veículos que circulam na cidade, permite que as baterias dos sensors sofram uma descarga menor do que se tivessem que enviar diretamente a informação para o destino final mas utilizando recursos mais dispendiosos. Para melhorar esta ideia e de forma a que o resultado final fosse o mais completo possível, começámos então por fazer um estudo do estado da arte. Ao ler e considerar trabalho feito nas áreas de espaços de tuplos, redes tolerantes a atraso, cidades inteligentes, simuladores de redes, redes de sensores e difusão epidémica foi possível melhorar consideravelmente o produto final desta dissertação. Este estudo de outros trabalhos é sem dúvida um passo muito importante no decorrer desta dissertação, pois através de observação, quer de lacunas, quer de pontos fortes existentes noutras soluções, permitiu considerar e pensar de forma competente a solução a desenvolver. Partindo então deste estudo foi definido um modelo de sistema que permitiu perceber de forma eficaz alguns requisitos e condições que tinham de ser cumpridos. Dado este trabalho inicial foi então definido a especificação para o middleware. Foi determinada uma semântica para o espaço de tuplos que suporta a persistência de dados para cada um dos nós da rede. Após isto, foi implementado uma versão de espaços de tuplos em C/C++ que cumprisse esta mesma semântica. Em comunhão foi elaborado um protocolo que permitisse que estes espaços de tuplos fossem sincronizados entre os vários nós existentes na rede. Este protocolo foi concebido utilizando conceitos de flooding e difusão epidémica. Para além disso foi criado um canal prioritário para que se podesse proceder ao envio de leituras cujo o cariz fosse mais importante. De forma a manter um certo nível de eficiência no middleware, foi também criado um mecanismo de remoção de tuplos duplicados na rede. Este mecanismo recorreu ao uso de épocas definidas em tempo de configuração. Foi também delineado uma forma parcimoniosa de serialização dos tuplos trocados na rede com o objetivo de melhorar a eficiência deste middleware. Por fim, criámos uma forma de atualização de código para os sensores que também utiliza a infraestrutura de cidade para se disseminar para cada sensor. Toda esta implementação foi feita especificamente para o Network Simulator 3, sendo desenvolvida em C/C++. O simulador de redes em questão tornou-se extremamente útil pois permitiu testar numa fase embrionária um cenário que dado a escala seria difícil de avaliar numa situção real. Pelos inúmeros módulos já existentes de raiz, foi possível implementar características como comunicação 3G/4G ou simulação de bateria em cada sensor. De forma a oferecer uma grande flexibilidade para que este middleware possa ser aplicado em diferentes cenários com diferentes características, criámos uma configuração parametrizável de valores que fazem com que o middleware se adapte. Esta flexibilidade é muito importante para o seu funcionamento dado que, muitos ambientes urbanos têm características diferentes, como por exemplo densidade populacional, o que por sua vez, afeta o número de veículos presentes na infraestrutura. Após a implementação do protótipo de middleware passámos então à fase de avaliação. Para esta fase de avaliação começámos em primeiro lugar, por procurar dois padrões de mobilidade de veículos em ambientes urbanos. Estes padrões servem para ser aplicados no simulador de rede de forma a criar um movimento realista e relevante para as nossas simulações. Os cenários escolhidos foram: um conjunto de posições de GPS de múltiplos táxis na cidade de Roma e também o registo de posições de GPS para uma rede de transportes de autocarro na zona urbana de Seattle. Apesar de haver algumas diferenças relevantes entre estes dois padrões, como por exemplo a dimensão total do cenário, esta mesma discrepância entre eles serve para avaliar o middleware em diferentes ambientes. Escolhidos então estes padrões foi desenhado um plano para os testes. De forma a criar alguma relevância estatística foi feita uma bateria de simulações sobre o middleware, sendo no total efectuadas 480 simulações. Com os resultados destas simulações, dos quais foram extraídos valores como taxa de entrega e latência de entrega, foram utilizadas algumas métricas relevantes para fazer uma avaliação. Usando gráficos gerados, foi possível efetuar uma discussão da eficiência do middleware podendo avaliar certas situações nas quais determinadas características se sobressaíram. No entanto ficou claro que é ainda necessário fazer uma avaliação muito mais extensa de todo o trabalho dado a complexidade inerente aos múltiplos parâmetros que existem no middleware, que sendo dispostos em diferentes configurações podem apresentar resultados muito díspares. Por fim, foram tiradas algumas conclusões do que foi feito e das limitações que atualmente apresenta. Nesta conclusão foi revisto se os objectivos que inicialmente se propôs foram de alguma forma cumpridos. Foi também discutido algum trabalho que pode vir a ser feito no futuro. Este trabalho futuro apresenta algumas funcionalidades que melhoram a eficiência e usabilidade do middleware. Um exemplo é o enriquecimento da semântico do espaço de tuplos utilizado que permitirá ao utilizador efectuar mais facilmente pesquisas de tuplos com um esforço mais reduzido.This document focuses on the work done on the master thesis at the Informatics Department in the Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa. With this work we aim at offering a reliable middleware that is capable of supporting data dissemination in a network composed of different types of hardware. Mainly these different components are sensors and mobile devices. We hope to offer a solution that is deployable in scenarios that have an high degree of heterogeneity without compromising the quality of service and functionalities of the applications used with the middleware. With these type of proposal we expect to cover many cases of ubiquitous computing such as the ones we find in smart cities scenarios. Although our solution is aiming to be as generic as possible we take a practical case into account in order to provide a working example of our work. We take advantage of the infrastructure now available in some cities such as a mobile ad hoc network composed of public service vehicles. Doing so we will use our work in a garbage collection project where sensors read data from garbage cans in order to inform a set of base stations of their garbage levels. With this we allow the optimization of garbage collection in the future. Also by testing our middleware in this scenario we intend to gather more information that may allow for future improvements in the middleware. So far we were able to implement a working prototype simulation designed for the Network Simulator 3. In this simulation we used some mobility patterns and tested the middleware in order to achieve results on its delivery rate and other metrics. By perusing previous work done in studied areas of research such as tuple spaces and wireless sensor networks, we were able improve our concept. As a goal we look forward to create a piece of software that contributes to the community, making ease the process of going about our routines, work and the way we live in a more automated and pleasant smart city

Improving Resilience of Communication in Information Dissemination for Time-Critical Applications

Severe weather impacts life and in this dire condition, people rely on communication, to organize relief and stay in touch with their loved ones. In such situations, cellular network infrastructure\footnote{We refer to cellular network infrastructure as infrastructure for the entirety of this document} might be affected due to power outage, link failures, etc. This urges us to look at Ad-hoc mode of communication, to offload major traffic partially or fully from the infrastructure, depending on the status of it. We look into threefold approach, ranging from the case where the infrastructure is completely unavailable, to where it has been replaced by make shift low capacity mobile cellular base station. First, we look into communication without infrastructure and timely, dissemination of weather alerts specific to geographical areas. We look into the specific case of floods as they affect significant number of people. Due to the nature of the problem we can utilize the properties of Information Centric Networking (ICN) in this context, namely: i) Flexibility and high failure resistance: Any node in the network that has the information can satisfy the query ii) Robust: Only sensor and car need to communicate iii) Fine grained geo-location specific information dissemination. We analyze how message forwarding using ICN on top of Ad hoc network, approach compares to the one based on infrastructure, that is less resilient in the case of disaster. In addition, we compare the performance of different message forwarding strategies in VANETs (Vehicular Adhoc Networks) using ICN. Our results show that ICN strategy outperforms the infrastructure-based approach as it is 100 times faster for 63\% of total messages delivered. Then we look into the case where we have the cellular network infrastructure, but it is being pressured due to rapid increase in volume of network traffic (as seen during a major event) or it has been replaced by low capacity mobile tower. In this case we look at offloading as much traffic as possible from the infrastructure to device-to-device communication. However, the host-oriented model of the TCP/IP-based Internet poses challenges to this communication pattern. A scheme that uses an ICN model to fetch content from nearby peers, increases the resiliency of the network in cases of outages and disasters. We collected content popularity statistics from social media to create a content request pattern and evaluate our approach through the simulation of realistic urban scenarios. Additionally, we analyze the scenario of large crowds in sports venues. Our simulation results show that we can offload traffic from the backhaul network by up to 51.7\%, suggesting an advantageous path to support the surge in traffic while keeping complexity and cost for the network operator at manageable levels. Finally, we look at adaptive bit-rate streaming (ABR) streaming, which has contributed significantly to the reduction of video playout stalling, mainly in highly variable bandwidth conditions. ABR clients continue to suffer from the variation of bit rate qualities over the duration of a streaming session. Similar to stalling, these variations in bit rate quality have a negative impact on the users’ Quality of Experience (QoE). We use a trace from a large-scale CDN to show that such quality changes occur in a significant amount of streaming sessions and investigate an ABR video segment retransmission approach to reduce the number of such quality changes. As the new HTTP/2 standard is becoming increasingly popular, we also see an increase in the usage of HTTP/2 as an alternative protocol for the transmission of web traffic including video streaming. Using various network conditions, we conduct a systematic comparison of existing transport layer approaches for HTTP/2 that is best suited for ABR segment retransmissions. Since it is well known that both protocols provide a series of improvements over HTTP/1.1, we perform experiments both in controlled environments and over transcontinental links in the Internet and find that these benefits also “trickle up” into the application layer when it comes to ABR video streaming where HTTP/2 retransmissions can significantly improve the average quality bitrate while simultaneously minimizing bit rate variations over the duration of a streaming session. Taking inspiration from the first two approaches, we take into account the resiliency of a multi-path approach and further look at a multi-path and multi-stream approach to ABR streaming and demonstrate that losses on one path have very little impact on the other from the same multi-path connection and this increases throughput and resiliency of communication

Bandwidth and Energy-Efficient Route Discovery for Noisy Mobile Ad-Hoc Networks

Broadcasting is used in on-demand routing protocols to discover routes in Mobile Ad-hoc Networks (MANETs). On-demand routing protocols, such as Ad-hoc On-demand Distance Vector (AODV) commonly employ pure flooding based broadcasting to discover new routes. In pure flooding, a route request (RREQ) packet is broadcast by the source node and each receiving node rebroadcasts it. This continues until the RREQ packet arrives at the destination node. Pure flooding generates excessive redundant routing traffic that may lead to the broadcast storm problem (BSP) and deteriorate the performance of MANETs significantly. A number of probabilistic broadcasting schemes have been proposed in the literature to address BSP. However, these schemes do not consider thermal noise and interference which exist in real life MANETs, and therefore, do not perform well in real life MANETs. Real life MANETs are noisy and the communication is not error free. This research argues that a broadcast scheme that considers the effects of thermal noise, co-channel interference, and node density in the neighbourhood simultaneously can reduce the broadcast storm problem and enhance the MANET performance. To achieve this, three investigations have been carried out: First, the effect of carrier sensing ranges on on-demand routing protocol such as AODV and their impact on interference; second, effects of thermal noise on on-demand routing protocols and third, evaluation of pure flooding and probabilistic broadcasting schemes under noisy and noiseless conditions. The findings of these investigations are exploited to propose a Channel Adaptive Probabilistic Broadcast (CAPB) scheme to disseminate RREQ packets efficiently. The proposed CAPB scheme determines the probability of rebroadcasting RREQ packets on the fly according to the current Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) and node density in the neighbourhood. The proposed scheme and two related state of the art (SoA) schemes from the literature are implemented in the standard AODV to replace the pure flooding based broadcast scheme. Ns-2 simulation results show that the proposed CAPB scheme outperforms the other schemes in terms of routing overhead, average end-to-end delay, throughput and energy consumption

Enhancement AODV Routing Protocol at the VANET within an Urban Scenario

a vehicular ad hoc network (VANET) is a potential technology for supporting communication in vehicle-to-vehicle as well as vehicle-to-roadside units. Because of high mobility and periodic variations in the design of networks, creating a reliable routing strategy for these networks is one of the key challenges in VANETs. The Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV) routing protocol's scalability and on-demand route discovery technique make it a popular choice in VANETs. However, AODV has limitations that might impair the performance of VANETs, including major control overhead and higher delays throughout the network. This work introduces an improved AODV routing protocol created especially for the VANETs. This paper analyzes the impacts of modifying the Contention Window (CW) settings for the density to discover ways to enhance the performance of the 802.11p transmission about receiving probabilities and latency. We show that the proposed CW specified in the IEEE 802.11p standard works well in almost all evaluated situations. The proposed protocol (P-AODV) also demonstrates robustness in extremely dynamic settings involving a range of traffic densities and patterns of movement