Προσομοίωση δρομολόγησης, εκτίμηση απόδοσης και μηχανισμοί αντιπροσώπευσης σε ασύρματα δίκτυα για τη διασφάλιση και αύξηση ποιότητας υπηρεσίας των κατανεμημένων εφαρμογών υπό συνθήκες κινητικότητας

Abstract

The objective of this thesis is the study of network requirements of applications that run on top of wireless networks that are not supported by stationary infrastructure, in order to guarantee and increase the Quality of Service (QoS) offered to these applications. Such networks, which are reported in the international bibliography as Mobile Ad-hoc Networks (MANET), are self-organized wireless networks, in which packets traverse multiple hops to reach their destinations. The structure of such networks changes dynamically owing to the mobility of nodes and/or changes in the topology. Routing, management and other communication operations in MANETs expose important challenges because of the mobility and the dynamic behaviour of nodes, their potentially big number in the network, and the limited resources of network, such as the bandwidth of the network and the consumption of energy. This thesis studies the distributed services that encompass node movement needs as well as requirements for multicast communication, focusing mainly in the communication infrastructure that should be provided to them to guarantee suitable levels of QoS for the applications, and consequently to their users. In this context, we examine the capability of communication infrastructures to handle scaling of data volume flow requirements [which may be owing either to the consumption of higher quality services (e.g. high-definition video as opposed to low-resolution video)] or to different degrees of node mobility. We assess this capability through simulation experiments, considering multiple settings for offered load and node mobility. Together with these settings, we examine additional protocol capabilities, such as link failure prediction and multicast. Finally, we propose and evaluate a model that incorporates a proxy, for further improving the performance of services running on top of MANETs. To realize all the required simulation experiments, we modelled within the relevant simulation environments all the necessary network components and code the collection of performance metrics. The performance assessments that result from these experiments are deemed to be a valuable aid to infrastructure designers, enabling them to right-size their hardware requirements for covering all needs, with the minimum possible cost.

Το αντικείμενο αυτής της διατριβής είναι η μελέτη τηλεπικοινωνιακών εφαρμογών σε ασύρματα δίκτυα τα οποία δεν στηρίζονται σε σταθερές δικτυακές υποδομές. Ένα τέτοιο δίκτυο, το οποίο αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία ως Mobile Ad-hoc Network (MANET), είναι ένα αυτοοργανούμενο, αυτοσχηματιζόμενο ασύρματο δίκτυο με διαδρομές πολλαπλών τμημάτων (multi-hop), όπου η δομή του δικτύου αλλάζει δυναμικά λόγω της κινητικότητας των κόμβων ή/και αλλαγών στην τοπολογία. Η δρομολόγηση, η διαχείριση και άλλες επικοινωνιακές λειτουργίες ενός τέτοιου δικτύου αντιμετωπίζουν σημαντικές προκλήσεις λόγω της κινητικότητας και της δυναμικής συμπεριφοράς των κόμβων, ενδεχομένως του μεγάλου τους αριθμού στο δίκτυο, και των περιορισμένων πόρων του δικτύου, όπως το εύρος ζώνης και η κατανάλωση ενέργειας. Η παρούσα διατριβή μελετά τις κατανεμημένες υπηρεσίες που εμφανίζουν ανάγκες κινητικότητας των κόμβων τους καθώς και πολλαπλής εκπομπής, εστιαζόμενη κυρίως στο επικοινωνιακό υπόβαθρο που πρέπει αυτές να διαθέτουν προκειμένου να είναι εφικτή η διασφάλιση και προσφορά κατάλληλης ποιότητας υπηρεσίας στις εφαρμογές και συνακόλουθα στους χρήστες. Στο πλαίσιο αυτό εξετάζεται και η ικανότητα ανταπόκρισης των υποδομών στην κλιμάκωση της ροής των δεδομένων, που γενικώς οφείλεται είτε στην κατανάλωση υπηρεσιών υψηλότερης ποιότητας (π.χ. βίντεο υψηλής ευκρίνειας έναντι βίντεο χαμηλής ευκρίνειας) ή στις διαφορετικούς βαθμούς κινητικότητας των κόμβων. Η εξέταση αυτή πραγματοποιείται μέσω προσομοίωσης, θεωρώντας πολλαπλές ρυθμίσεις συνθηκών επικοινωνιακού φόρτου και κινητικότητας κόμβων. Παράλληλα με τις ρυθμίσεις αυτές, εξετάζονται και πρόσθετες δυνατότητες πρωτοκόλλων, όπως η πρόβλεψη για αποτυχία των συνδέσεων και η πολυεκπομπή (multicast). Τέλος, προτείνεται και αξιολογείται ένα μοντέλο που ενσωματώνει έναν αντιπρόσωπο (proxy) για τη βελτίωση των επιδόσεων των υπηρεσιών σε περιβάλλοντα αυτοοργανούμενων ασυρμάτων δικτύων. Για την πραγματοποίηση όλων των αξιολογήσεων επιδόσεων πραγματοποιήθηκε μοντελοποίηση σε περιβάλλον προσομοίωσης των δικτυακών συνιστωσών και των επιδόσεων. Οι εκτιμήσεις που προκύπτουν ως αποτέλεσμα της αξιολόγησης επιδόσεων θα αποτελέσουν σημαντικό βοήθημα για τους σχεδιαστές των υποδομών ώστε να διαστασιολογούν κατάλληλα το απαραίτητο υλικό προκειμένου για κάλυψη των αναγκών τους με το μικρότερο δυνατό κόστος.