Performance evaluation and policy derivation for operator-governed opportunistic networks in the future internet

Abstract

Over the last 30 years the Internet has change radically our economy and society. Thereby from an academic network used by a few people in the early 1980s, the Internet became a truthfully worldwide open network for information, communication and commerce. In the light of the rapid spread of technology, particularly broadband networks and mobile communications, the Internet has become a central part of our lives in all sorts of ways and has also replaced traditional channels in many activities between people. The Internet has become a driver of 21st century society. In the near future, the Internet will probably set the networks under stress for resources. In the scope of the Future Internet (FI), new applications, services and content will require a truly ubiquitous network capacity, capable of handling the amplified data traffic volumes transmitted by internet enabled devices. At the same time these new applications are going to be accessed at any time of a day, will be requested from all types of locations and environments and finally will have to be delivered meeting a set of QoS. On the other hand the number of broadband users around the world seems to explode dramatically, leading also to the increase of the total amount of energy consumption. Such a challenging landscape in the area of wireless/mobile networks motivates the quest for more flexible networking paradigms that will offer increased efficiency in resource utilization and application QoS provisioning and at the same time exhibit lower transmission powers and energy consumption, thus achieving “green” targets. Framed within above, this dissertation presents an approach for addressing and providing solutions for the aforementioned issues. The proposed solution is based on dynamically created, operator-governed and coordinated, temporary infrastructure-less extensions of the infrastructure, called Opportunistic Networks (ONs). ONs are governed by operators through the provision of policies, e.g. upon resource usage, as well as context/profile information and knowledge, which is exploited for their creation and maintenance. They are dynamically created in places and at the time they are needed to deliver application flows to mobile users. Moreover, they comprise various devices/terminals, potentially organized in an ad hoc mode, as well as elements of the infrastructure itself. Due to the highly dynamic nature of the environment, including traffic and applications issues, as well as the potential complexity of the infrastructure, a solution that incorporates self-management and learning mechanisms are deemed essential. In this respect, Cognitive Management Systems (CMSs), rendering both self-management and learning capabilities seem appropriate for ensuring the fast and reliable establishment of ONs. In the context of this dissertation and in order to meet the requirements, for improved efficiency in resource provisioning and providing users with high quality services anytime, anywhere through the combination of ONs and CMSs, a new Functional Architecture (FA) for the management and control of the ONs is proposed. Considering the above, in this dissertation is presented the performance evaluation of ONs as an extension to the infrastructure network in various scenarios. Particularly, the investigation under which circumstances (why, where and when) the creation of an ON will be beneficiary for the overall network is presented in certain scenarios. This is actually done by recognizing that the first step prior to proceeding with the establishment of an ON is to be able to judge the suitability of doing so. The study is mainly based on extensive network simulations, with the intention to cover a large gamut of cases in order to increase the validity of the finally extracted conclusions and recommendations. Eventually, it is presented the process of the properly exploitation of the extracted simulation results so as to derive policies that can be used by the operator of the wireless infrastructure to control the decision upon forming the ONs, while in operation or even in a proactive manner.

Τα τελευταία 30 χρόνια το Διαδίκτυο έχει αλλάξει ριζικά την οικονομία και την κοινωνία μας. Έτσι από ένα ακαδημαϊκό δίκτυο που χρησιμοποιούνταν από μερικούς ανθρώπους στις αρχές του 1980, το Διαδίκτυο έγινε ένα παγκόσμιο ανοικτό δίκτυο για την πληροφόρηση, την επικοινωνία και το εμπόριο. Υπό το πρίσμα της ταχείας εξάπλωσης της τεχνολογίας, ιδιαίτερα των ευρυζωνικών δικτύων και των κινητών επικοινωνιών, το Διαδίκτυο έγινε βασικό κομμάτι της ζωής μας με κάθε τρόπο και αντικατέστησε τα παραδοσιακά κανάλια επικοινωνίας των ανθρώπων σε πολλές δραστηριότητες. Το Διαδίκτυο έγινε η κινητήρια δύναμη της κοινωνίας του 21ου αιώνα. Στο άμεσο μέλλον, το Διαδίκτυο θα πιέσει πιθανώς τα δίκτυα για επιπλέον πόρους. Στα πλαίσια του Μελλοντικού Διαδικτύου, νέες εφαρμογές, υπηρεσίες και περιεχόμενο θα απαιτήσουν ένα πραγματικά πανταχού παρόν δίκτυο, που θα είναι σε θέση να χειρίζεται τον μεγάλο όγκο της κίνησης των δεδομένων που μεταδίδονται από τις συσκευές που συνδέονται σε αυτό. Ταυτόχρονα, οι νέες αυτές εφαρμογές θα πρέπει να μπορούν να προσπελαστούν οποιαδήποτε στιγμή της ημέρας, να ζητηθούν από διαφορετικές τοποθεσίες και περιβάλλοντα και τέλος να εξασφαλίζεται η ποιότητα των παρεχόμενων αυτών υπηρεσιών. Από την άλλη πλευρά, ο αριθμός των ευρυζωνικών χρηστών σε όλο τον κόσμο φαίνεται να μεγαλώνει δραματικά, οδηγώντας στην αύξηση της συνολικής ποσότητας της κατανάλωσης της ενέργειας. Αυτή η όλο και πιο απαιτητική κατάσταση στο χώρο των ασύρματων/κινητών δικτύων ωθεί στην αναζήτηση πιο ευέλικτων προτύπων δικτύωσης που θα προσφέρουν μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα στη χρησιμοποίηση των πόρων και στην παροχή υπηρεσιών υψηλής ποιότητας και την ίδια στιγμή να εμφανίζουν χαμηλότερη ισχύ μετάδοσης και μείωση στην κατανάλωση της ενέργειας, επιτυγχάνοντας έτσι «πράσινους» στόχους. Έχοντας υπόψη όλα τα παραπάνω, η διατριβή αυτή παρουσιάζει μια προσέγγιση για την αντιμετώπιση και την παροχή λύσεων για τα προαναφερθέντα θέματα. Η προτεινόμενη λύση βασίζεται σε δίκτυα που δημιουργούνται δυναμικά, ελέγχονται και συντονίζονται από τον πάροχο, είναι προσωρινές επεκτάσεις της υποδομής και ονομάζονται Ευκαιριακά Δίκτυα (Opportunistic Networks). Τα Ευκαιριακά Δίκτυα ελέγχονται από τους παρόχους μέσω της διάθεσης πολιτικών (policies), π.χ. για την χρήση των πόρων, καθώς και από την πληροφορία του πλαισίου λειτουργίας (context), του προφίλ και της γνώσης, τα οποία αξιοποιούνται για τη δημιουργία και τη συντήρηση τους. Δημιουργούνται δυναμικά σε τοποθεσίες και όταν χρονικά απαιτούνται, για να παρέχουν τις υπηρεσίες στους χρήστες. Επιπλέον, αποτελούνται από διάφορες συσκευές/τερματικά, συνδεδεμένα ενδεχομένως με ad-hoc τρόπο μεταξύ τους, καθώς και με στοιχεία της ίδιας της υποδομής. Λόγω του ιδιαίτερα δυναμικού χαρακτήρα του περιβάλλοντος, συμπεριλαμβανομένων ζητημάτων κίνησης και εφαρμογών, καθώς και την πιθανή πολυπλοκότητα της υποδομής, μια λύση που ενσωματώνει μηχανισμούς αυτοδιαχείρισης και μάθησης κρίνεται απαραίτητη. Από αυτή την άποψη, τα Γνωσιακά Συστήματα Διαχείρισης (Cognitive Management Systems), προσφέροντας δυνατότητες αυτοδιαχείρισης και μάθησης θεωρούνται κατάλληλα για να εξασφαλίσουν μια γρήγορη και αξιόπιστη εγκατάσταση των Ευκαιριακών Δικτύων. Στο πλαίσιο αυτής της διατριβής και προκειμένου να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις για βελτιωμένη αποδοτικότητα στην παροχή πόρων και παροχή υπηρεσιών υψηλής ποιότητας στους χρήστες ανά πάσα στιγμή και οπουδήποτε, μέσω του συνδυασμού των Ευκαιριακών Δικτύων και των Γνωσιακών Συστημάτων Διαχείρισης προτείνεται μια νέα Αρχιτεκτονική Λειτουργιών (Functional Architecture) για τη διαχείριση και τον έλεγχο των δικτύων αυτών. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, σε αυτή την διατριβή παρουσιάζεται η αξιολόγηση της απόδοσης των Ευκαιριακών Δικτύων ως επέκταση του δικτύου υποδομής σε διάφορα σενάρια. Συγκεκριμένα, γίνεται μελέτη για τις συνθήκες (γιατί, που και πότε) κάτω από τις οποίες μπορούν να δημιουργηθούν τα Ευκαιριακά Δίκτυα ώστε να υπάρχει γενικό όφελος για το σύνολο του δικτύου. Αυτό στην πραγματικότητα γίνεται αναγνωρίζοντας ότι το πρώτο βήμα πριν από τη διαδικασία της δημιουργίας ενός Ευκαιριακού Δικτύου είναι ο προσδιορισμός της καταλληλότητας. Η έρευνα βασίζεται κυρίως σε εκτεταμένες προσομοιώσεις του δικτύου, με σκοπό να καλύψει ένα μεγάλο φάσμα των περιπτώσεων, προκειμένου να αυξηθεί η εγκυρότητα των τελικών εξαγόμενων συμπερασμάτων και συστάσεων. Τέλος, παρουσιάζεται η διαδικασία της κατάλληλης εκμετάλλευσης των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης, για την εξαγωγή των πολιτικών που θα χρησιμοποιηθούν από τον πάροχο της ασύρματης υποδομής για να ελέγξει την απόφαση για την δημιουργία των Ευκαιριακών Δικτύων, την ώρα της λειτουργίας ή και εκ των προτέρων.