Χρονοπρογραμματισμός μετάδοσης και επαναμετάδοσης δεδομένων σε επίγεια και διαστημικά διαδίκτυα

Abstract

Transport layer protocols have been traditionally designed on the basis of demand and supply. In the early days of the Internet, demand did not exceed supply and therefore, TCP was designed on the basis of a feedbackless system. The Internet growth led to congestive collapses and consequently, congestion control became a crucial part of transport layer networking. In that context, TCP evolved as a closed-loop, binary feedback, congestion control system. From that point onwards Traditional Internet has expanded towards two dimensions: i) The Modern Internet and ii) the Space (or InterPlaNetary) Internet. Modern Internet is characterized by application diversity and infrastructure heterogeneity. Application diversity, for example, causes drastic load fluctuations leading to low, transient or permanent congestion periods. Moreover, the Internet has become a multipurpose and multifunctional tool that serves business, educational and entertainment needs. Throughout the initial steps of our research studies, we identified operational mismatches between the users' needs for system services and the rules that govern the system and therefore provide services. The needs have increased in extent and complexity, but the rules that govern data transmission and retransmission (and therefore regulate services) have not. Are we going to restraint needs according to rules, or adjust the rules according to users' needs? The above question comprises the main motivation of the present dissertation. We focused mainly on the transmission and retransmission scheduling rules that govern transport layer protocols presently. We have shown that the performance of transport layer protocols can be substantially increased both in the terrestrial and in the space internetworking environment.

Τα πρωτόκολλα του επιπέδου μεταφοράς του Διαδικτύου σχεδιάζονται παραδοσιακά με βάση την προσφορά και τη ζήτηση δικτυακών πόρων. Κατά τις πρώτες μέρες ανάπτυξης του Διαδικτύου η ζήτηση δεν ξεπερνούσε την προσφορά και συνεπώς η συμφόρηση δε αποτελούσε προβληματισμό. Έτσι, το πρωτόκολλο μεταφοράς TCP σχεδιάστηκε ως ένα μη-αναδραστικό σύστημα. Η ραγδαία ανάπτυξη του Διαδικτύου οδήγησε σε περιστατικά καταστροφικής συμφόρησης και ως αποτέλεσμα ο έλεγχος συμφόρησης έγινε βασικό συστατικό στοιχείο των αλγορίθμων του επιπέδου μεταφοράς. Σε αυτό το πλαίσιο, το TCP επανασχεδιάστηκε με βάση ένα σύστημα αποφυγής συμφόρησης κλειστού βρόχου και δυαδικής ανάδρασης. Από αυτό το σημείο και μετά το Παραδοσιακό Διαδίκτυο επεκτάθηκε προς δύο κατευθύνσεις: i) το Σύγχρονο Διαδίκτυο και ii) το Διαστημικό Διαδίκτυο. Το Σύγχρονο Διαδίκτυο χαρακτηρίζεται από ανομοιογένεια εφαρμογών και από ετερογένεια υποδομών. Η ανομοιογένεια των εφαρμογών, παραδείγματος χάριν, προκαλεί μεγάλες διακυμάνσεις στον φόρτο του δικτύου και οδηγεί σε περιόδους χαμηλού, μέτριου ή υψηλού επιπέδου ανταγωνισμού μεταξύ των ροών. Επιπροσθέτως, το Διαδίκτυο αποτελεί πλέον ένα πολυ-χρηστικό και πολυ-λειτουργικό εργαλείο, το οποίο προσφέρει εκπαιδευτικές, εργασιακές και ψυχαγωγικές υπηρεσίες στους χρήστες του. Κατά τα αρχικά στάδια της έρευνάς μας παρατηρήσαμε λειτουργικές αστοχίες μεταξύ των αναγκών των χρηστών για δικτυακές υπηρεσίες και των κανόνων που διέπουν το σύστημα (Διαδίκτυο) και συνεπώς προσφέρουν υπηρεσίες. Οι ανάγκες των χρηστών έχουν αυξηθεί όπως και η πολυπλοκότητα του Διαδικτύου, όμως οι κανόνες που διέπουν τη μετάδοση και την επαναμετάδοση δεδομένων (και συνεπώς ελέγχουν την προσφορά υπηρεσιών) παραμένουν αμετάβλητοι. Θέλουμε να περιορίσουμε τις ανάγκες των χρηστών σύμφωνα με τους κανόνες, ή να ρυθμίσουμε τους κανόνες ανάλογα με τις ανάγκες των χρηστών; Η παραπάνω ερώτηση αποτέλεσε το κύριο κίνητρο της έρευνας που παρουσιάζουμε στην παρούσα διατριβή. Εστιάσαμε κυρίως στους κανόνες χρονοπρογραμματισμού μετάδοσης και επαναμετάδοσης δεδομένων που διέπουν τα πρωτόκολλα του επιπέδου μεταφοράς και δείξαμε ότι υπάρχει μεγάλο περιθώριο βελτίωσης της απόδοσης των πρωτοκόλλων μεταφοράς τόσο στο επίγειο όσο και στο διαστημικό διαδίκτυο.