Decentralized space-data dissemination for low-cost, dense satellite networks

Vardalis, Dimitris; Lenas, Sotiris-Angelos; Diamantopoulos, Sotiris; Tsaoussidis, Vassilis; Belli, F.; Beavis, Philip; Patterson, David; Nergaard, Kim

doi:10.1109/taes.2015.140867

Cited by 5 publications

(7 citation statements)

References 18 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Order By: Relevance

“…In particular, for the 46-satellite case the total volume of data delivered on the ground reached 562GB. This value is approximately 1/7 of the maximum 3.9TB amount of data usually delivered by traditional, high-performance, point-to-point LEO satellite systems, as indicated in [9]. Apparently, a direct comparison in terms of performance between the proposed vs. the traditional approach would clearly favor the latter.…”

Section: Asynchronous Leo-based Fully-distributed Data Dissemination Systemmentioning

confidence: 87%

“…In terms of Global Reach, an asynchronous, fully distributed, LEO-based data dissemination model, whose implementation can be based on low-cost Space and ground assets, is proposed that extends traditional satellite communications in order to enable asynchronous delivery of data to interested end-users across the globe [9].…”

Section: Contribution and Main Conclusionmentioning

confidence: 99%

“…Chapter 4: Extending Information Access through an Asynchronous, Spaceoriented Data Dissemination System required that allows Space assets to be seamlessly incorporated into the Future Internet architecture. In this context, a fully distributed, LEO-based data dissemination system is proposed as the means to implement such a networking framework and extend traditional satellite communications to enable asynchronous delivery of data to interested end-users across the globe[9]. satellites in LEO presents several advantages including high proximity to the Earth's surface, low transmission power requirements and lower launch costs in comparison to GEO satellite deployments.…”

mentioning

confidence: 99%

See 2 more Smart Citations

Towards a future internet architecture

Λένας¹

View full text Add to dashboard Cite

Ο θεμελιώδης ρόλος του Διαδικτύου στις περισσότερες πτυχές του σύγχρονου τρόπου ζωής αποτελεί αδιαμφισβήτητο γεγονός. Η επιρροή που ασκεί το Διαδίκτυο σήμερα αναμένεται να αυξηθεί περαιτέρω στο προσεχές μέλλον με τη διασύνδεση συσκευών διαφορετικού τύπου, την υποστήριξη πληθώρας εφαρμογών και την παροχή καθολικής δικτυακής συνδεσιμότητας, ανεξαρτήτως τοποθεσίας και προνομιών χρήστη σηματοδοτώντας με τον τρόπο αυτό την απαρχή της εποχής του Μελλοντικού Διαδικτύου. Παρόλα αυτά, διάφοροι σχεδιαστικοί και λειτουργικοί περιορισμοί της υπάρχουσας αρχιτεκτονικής του Διαδικτύου εμποδίζουν την εγκαθίδρυση μιας τόσο διευρυμένης διαδικτυακής πλατφόρμας. Επομένως, η αρχιτεκτονική του Διαδικτύου, στην παρούσα μορφή της, είναι ανίκανη να υποστηρίξει τις συνθήκες της Καθολικής Αρχιτεκτονικής, Καθολικής Διαθεσιμότητας και Καθολικής Πρόσβασης τις οποίες το Μελλοντικό Διαδίκτυο θα πρέπει να ικανοποιεί. Έχοντας υπόψη αυτούς του περιορισμούς, η διατριβή επικεντρώνεται στην πρόταση και την ανάπτυξη λύσεων για μια πληθώρα απαιτητικών ζητημάτων που σχετίζονται με το Μελλοντικό Διαδίκτυο. Σε αυτό το πλαίσιο, προτείνεται η χρήση της αρχιτεκτονικής δικτύων ανεκτικών στην καθυστέρηση και στις διακοπές (Delay-/Disruption-Tolerant Networking - DTN) ως μιας διαδικτυακής αρχιτεκτονικής που δύναται να συνεισφέρει καθοριστικά στον σχηματισμό του Μελλοντικού Διαδικτύου. Η κύρια συνεισφορά της έγκειται στο γεγονός ότι μέσω των μηχανισμών που προσφέρει καθιστά δυνατή την αντιμετώπιση των αδυναμιών της υπάρχουσας αρχιτεκτονικής του Διαδικτύου, κυρίως ως προς την διασύνδεση ετερογενών διαδικτύων. Πιο συγκεκριμένα, υποστηρίζεται πως η αρχιτεκτονική DTN μπορεί να διαδραματίσει κεντρικό ρόλο στην διαδικασία σχηματισμού του Μελλοντικού Διαδικτύου: αρχικά, επιτρέποντας σε χρήστες και συσκευές ετερογενών δικτυακών περιβαλλόντων να επικοινωνούν μεταξύ τους, ανεξαρτήτως της υποκείμενης στοίβας πρωτοκόλλων και εν συνεχεία, δρώντας ως ένα δικτυακό στρώμα μέσω του οποίου θα είναι δυνατή η επίλυση διαφόρων ζητημάτων συνδεσιμότητας, όπως, για παράδειγμα, οι μεγάλες καθυστερήσεις και οι συνεχείς διακοπές επικοινωνίας, τα οποία προκύπτουν κυρίως από την αυξανόμενη χρήση ασύρματων τεχνολογιών επικοινωνίας. Με σκοπό την περαιτέρω ενίσχυση των λειτουργικών δυνατοτήτων μιας αρχιτεκτονικής του Μελλοντικού Διαδικτύου η οποία θα βασίζεται στην αρχιτεκτονική DTN, προτείνονται και υλοποιούνται επίσης δικτυακές λύσεις για πρακτικές εφαρμογές, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση σε θέματα διάχυσης, διαθεσιμότητας και προσβασιμότητας δεδομένων. Συγκεκριμένα, σχετικά με το θέμα της διάχυσης δεδομένων, υλοποιείται το Bundle Streaming Service (BSS) με σκοπό την ενίσχυση των δυνατοτήτων του Μελλοντικού Διαδικτύου ως προς τη μεταφορά ροών δεδομένων. Το BSS αποτελεί πλαίσιο διαχείρισης ροών δεδομένων, το οποίο βασίζεται στην αρχιτεκτονική DTN και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την άμβλυνση των περισσότερων δικτυακών προκλήσεων που σχετίζονται με την μεταφορά ροών δεδομένων, τόσο πραγματικού όσο και μεταγενέστερου χρόνου, μεταξύ ετερογενών διαδικτύων. Όσον αφορά τα ζητήματα της προσβασιμότητας και της διαθεσιμότητας, προτείνεται ένα πλήρως κατανεμημένο, επεκτάσιμο και βασιζόμενο σε δορυφορικές επικοινωνίες σύστημα διάχυσης δεδομένων. Μέσω αυτού του συστήματος, δεδομένα μπορούν να μεταφερθούν με ασύγχρονο τρόπο σε ενδιαφερόμενους τελικούς χρήστες σε κάθε σημείο της γης, επεκτείνοντας με αυτό τον τρόπο την διαθεσιμότητα του Μελλοντικού Διαδικτύου. Η συγκεκριμένη δυνατότητα της ασύγχρονης μεταφοράς δεδομένων αυξάνει σημαντικά την αποδοτικότητα ως προς το κόστος του προτεινόμενου συστήματος, καθιστώντας το προσιτό και προσβάσιμο από το ευρύ κοινό. Τέλος, υλοποιείται ο μηχανισμός Hybrid Packet Scheduling Scheme (HPSS) με σκοπό την περαιτέρω ενίσχυση της προσβασιμότητας στους δικτυακούς πόρους του Μελλοντικού Διαδικτύου, μέσω της ενίσχυσης της αποδοτικότητας των συστημάτων διαμοιρασμού ευρυζωνικής σύνδεσης. Ο μηχανισμός HPSS αποτελεί ένα πλαίσιο διαχείρισης ουράς μέσω του οποίου επιτυγχάνεται αποδοτικότερη εκμετάλλευση των διαθέσιμων πόρων μια ευρυζωνικής σύνδεσης από επισκέπτες χρήστες επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την επέκταση του Μελλοντικού Διαδικτύου, χωρίς κανένα επιπλέον κόστος. Εκτενείς μελέτες ανάλυσης, προσομοιώσεις και εξομοιώσεις υλοποιούνται, ανάλογα με την εκάστοτε περίπτωση, ώστε να αξιολογηθεί τόσο η αποδοτικότητα όσο και η αποτελεσματικότητα των προαναφερθέντων δικτυακών λύσεων. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης παρέχουν πληθώρα χρήσιμων πληροφοριών σχετικά με τη δυναμική των διαφόρων θεμάτων που διερευνούνται στα πλαίσια της διατριβής και σχετίζονται με το Μελλοντικό Διαδίκτυο. Συμπερασματικά, η συνεισφορά της διατριβής δεν εξαντλείται στη θεωρητική μελέτη σχηματισμού του Μελλοντικού Διαδικτύου, μέσω της διερεύνησης των δικτυακών προκλήσεων που προκύπτουν από αλλαγές στην υπάρχουσα αρχιτεκτονική του Διαδικτύου, αλλά επεκτείνεται και σε ζητήματα που αφορούν πρακτικές εφαρμογές. Από αυτή την σκοπιά, συνάγεται μέσω των αποτελεσμάτων που παρουσιάζονται ότι: α) είναι δυνατή η αποδοτική μεταφορά ροών δεδομένων μεταξύ ετερογενών δικτύων, β) η ενσωμάτωση δορυφορικών στοιχείων επικοινωνίας στην αρχιτεκτονική του Μελλοντικού Διαδικτύου καθώς και η υλοποίηση ενός συστήματος ασύγχρονης διάχυσης δεδομένων αποτελούν τεχνικά εφικτές ενέργειες στηριζόμενες σε υπάρχουσες και ενδελεχώς δοκιμασμένες δικτυακές τεχνολογίες και γ) οι διαθέσιμοι πόροι υποδομών διαμοιρασμού ευρυζωνικής σύνδεσης μπορούν να αξιοποιηθούν με έναν πλήρως διαφανές, ως προς τον τελικό χρήστη, και επεκτάσιμο τρόπο, ώστε να ενισχυθεί συνολικά η προσβασιμότητα στο Μελλοντικό Διαδίκτυο, ενδυναμώνοντας περαιτέρω κατά αυτόν τον τρόπο την απήχηση του στην κοινωνία.

show abstract

Section: Asynchronous Leo-based Fully-distributed Data Dissemination Systemmentioning

confidence: 87%

Section: Contribution and Main Conclusionmentioning

confidence: 99%

mentioning

confidence: 99%

See 1 more Smart Citation

Towards a future internet architecture

Λένας¹

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…Our proposed paradigm includes a best-effort, broadcast transmission mechanism with optional delivery feedback that can be deployed over well-known space-data transmission protocols [32]. Data acquisition rate is assumed to be less than or equal to the available bandwidth, so that all data receive at least one chance for transmission.…”

Section: Decentralized Space-data Dissemination With Dtnmentioning

confidence: 99%

“…The work presented in this dissertation is a continuation of the study submitted to ESA, including significant improvements over the original solution and more comprehensive simulation experiments. The corresponding study has been published in [32].…”

Section: Decentralized Space-data Dissemination With Dtnmentioning

confidence: 99%

Design and implementation of algorithms exploiting properties of the delay-disruption tolerant networks

Vardalis¹,

Βαρδαλής²

View full text Add to dashboard Cite

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετούμε εφαρμογές και αλγορίθμους σε Δίκτυα Ανεκτικά στις Καθυστερήσεις και τις Διακοπές (Delay-Disruption Tolerant Networking – DTN), εστιάζοντας, κατά κύριο λόγο, σε παραδοσιακά δίκτυα υποδομής που συνδυάζουν ενσύρματες και ασύρματες συνδέσεις. Η αρχιτεκτονική DTN σχεδιάστηκε με γνώμονα τη λειτουργία υπό συνθήκες μεγάλων καθυστερήσεων διάδοσης και έλλειψης συνεχούς συνδεσιμότητας από άκρο σε άκρο, καθώς και με σκοπό να παράσχει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο διασύνδεσης ετερογενών δικτύων υπολογιστών. Παρά το ότι ο αρχικός στόχος των εμπνευστών της αρχιτεκτονικής DTN ήταν η παροχή μίας ενοποιημένης πλατφόρμας για διαστημικές επικοινωνίες, η αρχιτεκτονική αυτή έχει προταθεί προς χρήση σε πλήθος εφαρμογών που περιλαμβάνουν επίγεια δίκτυα σταθερής υποδομής.Σε αυτά τα πλαίσια, επεκτείνουμε το DTN και αξιοποιούμε την προκύπτουσα αρχιτεκτονική για την επίλυση μίας σειράς προβλημάτων, ενώ επενδύουμε σημαντική προσπάθεια στην ανάπτυξη λεπτομερών εργαλείων προσομοίωσης, απαραίτητων για την αξιολόγιση των προτεινόμενων εφαρμογών. Οι προτεινόμενες λύσεις έχουν ως κοινό χαρακτηριστικό την ανάπτυξη του DTN ως υπερκείμενου στρώματος (overlay layer) σε παραδοσιακά IP δίκτυα και τη χρήση ευρέως διαδεδομένων πρωτοκόλλων όπως τα πρωτόλλα μεταφοράς του Internet TCP/UDP και το πρότυπο ασύρματης δικτύωσης 802.11. Έτσι, εκμεταλλευόμαστε τις εγγενείς δυνατότητες του DTN για δημιουργία υπερκείμενων δικτύων και για παροχή μόνιμης αποθήκευσης δεδομένων εντός του δικτύου, αξιοποιώντας ταυτόχρονα το μηχανισμό μεταβίβασης επιμέλειας (custody transfer), και προτείνουμε λύσεις σε δικτυακά προβλήματα της τρέχουσας ερευνητικής βιβλιογραφίας.Η πρώτη εφαρμογή της αρχιτεκτονικής DTN, στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, στοχεύει στην βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης φορητών, δικτυακών συσκευών, σε μία τυπική τοπολογία Διαδικτύου όπου το τελευταίο σκέλος της σύνδεσης είναι μία ασύρματη σύνδεση 802.11. Η εγγενής λειτουργικότητα για αποθήκευση-και-προώθηση (store-and-forward) του DTN χρησιμοποιείται με στόχο την κατακράτηση εισερχομένων δεδομένων στο Σταθμό Βάσης (Base Station), δίνοντας τη δυνατότητα στο φορητό δέκτη να θέσει την κάρτα ασύρματης δικτύωσης σε κατάσταση αναμονής (sleep). Με τον τρόπο αυτό εκμεταλλευόμαστε την ύπαρξη ενδεχόμενης επιπλέον χωρητικότητας της ασύρματης σύνδεσης, σε σχέση με την ενσύρματη σύνδεση ευρείας ζώνης που παρέχει τη σύνδεση με το Διαδίκτυο, εξοικονομώντας ενέργεια στο φορητό δέκτη.Στη δεύτερη περίπτωση, το DTN χρησιμοποιείται για την αποκεντρωμένη διάδοση διαστημικών δεδομένων στους τελικούς χρήστες μέσω του Διαδικτύου. Δορυφόροι σε χαμηλή τροχιά γύρω από τη Γη (Low Earth Orbit – LEO) συλλέγουν επιστημονικά δεδομένα και τα μεταδίδουν στους τελικούς χρήστες που είναι συνδεδεμένοι στο Διαδίκτυο, μέσω ενός μηχανισμού εκπομπής προσαρμοζόμενου στις ανάγκες της εκάστοτε διαστημικής αποστολής. Όταν τα δεδομένα βρεθούν στο έδαφος, διαδίδονται με τη βοήθεια ενός υπερκείμενου στρώματος DTN, ακολουθώντας την μέθοδο διομότιμης πολυεκπομπής (peer-to-peer multicasting). Ταχεία παράδοση των δεδομένων επιτυγχάνεται χάριν τόσο στη δημιουργία σύντομων διαδρομών προς τους ενδιαφερόμενους αποδέκτες, όσο στην αποσυμφόρηση του δικτύου λόγω της αποφυγής πολλαπλών περιττών μεταδόσεων.Η τρίτη εφαρμογή περιλαμβάνει μία προκαταρκτική έρευνα στο χώρο της δρομολόγησης με περιορισμούς αποθηκευτικού χώρου σε καιροσκοπικά (opportunistic) DTN δίκτυα. Ο στόχος του αλγορίθμου δρομολόγησης είναι να πετύχει αποδοτική και, ταυτόχρονα, δίκαιη κατανομή δικτυακών πόρων, σε ένα κατανεμημένο περιβάλλον, χωρίς την ύπαρξη μιας κεντρικής αρχής. Οι μηχανισμοί που χρησιμοποιούνται από τον αλγόριθμο δρομολόγησης είναι εμπνευσμένοι από τη Θεωρία Παιγνίων, ενώ η ίδια η δρομολόγηση αντιμετωπίζεται ως παίγνιο κατά το οποίο οι δικτυακοί κόμβοι προσπαθούν να μεγιστοποιήσουν την παράδοση των τοπικά παραχθέντων δεδομένων.Τα εργαλεία προσομοίωσης που απαιτούνται για την ανάπτυξη των λύσεων που αναφέρθηκαν στις προηγούμενες παραγράφους υλοποιήθηκαν με λεπτομέρεια στο περιβάλλον δικτυακής προσομοίωσης ns-2. Καθώς ο ns-2 δεν παρείχε εγγενή υποστήριξη για DTN, δημιουργήσαμε το αντίστοιχο μοντέλο προσομοίωσης από μηδενική βάση. Το μοντέλο αυτό περιλαμβάνει λειτουργικότητα που ετείνεται σε ολόκληρη τη στοίβα πρωτοκόλλων και, πιο συγκεκριμένα, στα επίπεδα φυσικό (physical), σύνδεσης (link), ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (MAC) και μεταφοράς (transport). Εκτός από τις ήδη αναφερθείσες εφαρμογές, το πλαίσιο προρσομείωσης που αναπτύχθηκε χρησιμοποιήθηκε για την υποστήριξη περιφερειακών πειραμάτων όπως οι κρυπτογραφικές λειτουργίες σε δίκτυα DTN.

show abstract