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

Abstract

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.