Αξιόπιστα πρωτόκολλα μεταφοράς για δίκτυα ανεκτικά στην καθυστέρηση: σχεδιασμός και αποτίμηση απόδοσης

Abstract

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάμε το πρόβλημα της αξιόπιστης και αποδοτικής μεταφοράς δεδομένων στα Δίκτυα Ανεκτικά στην Καθυστέρηση (Delay Tolerant Networks, DTNs). Αναδεικνύουμε σημαντικά λειτουργικά κενά και αδυναμίες της αρχιτεκτονικής DTN, και προτείνουμε ολοκληρωμένες λύσεις πρωτοκόλλων και μηχανισμούς που απαντούν στα ζητήματα αυτά. Εστιάζουμε σε λειτουργίες που αποτελούν εγγενείς λειτουργίες πρωτοκόλλων μεταφοράς και που έχουν ως στόχο τόσο την αποδοτική και αξιόπιστη μεταφορά των δεδομένων, όσο και την ικανοποίηση των διαφορετικών απαιτήσεων των εφαρμογών DTN. Επικεντρώνουμε την έρευνα μας στις διαστημικές επικοινωνίες, οι οποίες παρουσιάζουν και τις μεγαλύτερες προκλήσεις. Ωστόσο, μέρος της έρευνάς μας έχει πρακτική εφαρμογή και στα επίγεια δίκτυα DTN.Αρχικά, καταδεικνύουμε την αδυναμία των συμβατικών πρωτοκόλλων μεταφοράς που βασίζονται εξ’ ολοκλήρου σε τεχνικές αυτόματου αιτήματος επαναμετάδοσης (Automatic Repeat reQuest, ARQ) να αντιμετωπίσουν αποδοτικά τις ακραίες συνθήκες λειτουργίας που χαρακτηρίζουν τα διαστημικά κανάλια επικοινωνίας και προβάλλουμε τη συγκριτική υπεροχή των στρατηγικών προσαρμοστικής προληπτικής επαναμετάδοσης και κωδικοποίησης απαλοιφής (erasure coding). Στο πλαίσιο αυτό, σχεδιάζουμε, υλοποιούμε και αξιολογούμε τα αξιόπιστα πρωτόκολλα μεταφοράς Deep-Space Transport Protocol (DS-TP) και Erasure Coding Transport Protocol (ECTP), τα οποία στοχεύουν στην αποδοτικότερη αξιοποίηση των διαθέσιμων δικτυακών πόρων και τη γρηγορότερη μεταφορά των δεδομένων. Το πρωτόκολλο DS-TP εισάγει κανόνες πρόληψης στο χρονοπρογραμματισμό επαναμετάδοσης των πακέτων μέσω ενός καινοτόμου μηχανισμού επαναμεταδόσεων, ο οποίος ονομάζεται Διπλή Αυτόματη Επαναμετάδοση (Double Automatic Retransmission). Αντίστοιχα, το πρωτόκολλο ECTP υλοποιεί ένα νέο προσαρμοστικό υβριδικό μηχανισμό ARQ, ο οποίος βασίζεται στην εφαρμογή κωδίκων απαλοιφής μεγάλου μήκους. Μέσα από μια αλληλουχία πειραμάτων και παρατηρήσεων διερευνούμε εκτενώς τα αντισταθμίσματα (trade-offs) στην απόδοση του δικτύου που προκύπτουν από την εφαρμογή τέτοιων στρατηγικών. Τα θεωρητικά και πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι τα πρωτόκολλα DS-TP και ECTP ολοκληρώνουν μεταδόσεις αρχείων γρηγορότερα από συμβατικά πρωτόκολλα για διαστημικές επικοινωνίες.Στη συνέχεια, η έρευνα μας επικεντρώνεται σε υπηρεσίες από-άκρο-σε-άκρο που απουσιάζουν από την αρχιτεκτονική DTN και αναδεικνύουμε την ανάγκη επέκτασής της με την ενσωμάτωση ενός επιπέδου μεταφοράς από-άκρο-σε-άκρο, το οποίο θα προσφέρει την απαραίτητη δικτυακή υποδομή για την παροχή ενός συνόλου υπηρεσιών που θα έχουν ως στόχο τη βελτίωση της απόδοσης του δικτύου και την ικανοποίηση των διαφορετικών απαιτήσεων των εφαρμογών DTN. Στο πλαίσιο αυτό, συγκεκριμενοποιούμε τις απαιτήσεις ενός τέτοιου πρωτοκόλλου μεταφοράς και σχεδιάζουμε και υλοποιούμε το πρωτόκολλο Delay Tolerant Payload Conditioning (DTPC). To πρωτόκολλο DTPC ενσωματώνει ένα σύνολο από καινοτόμους μηχανισμούς και παρέχει τις εξής υπηρεσίες: (α) αξιόπιστη μεταφορά των δεδομένων από-άκρο-σε-άκρο, (β) συνάθροιση των δεδομένων με δυνατότητα πολύπλεξης των εφαρμογών και προαιρετική δυνατότητα απαλοιφής, (γ) παράδοση των δεδομένων σε σειρά, και (δ) καταστολή των διπλότυπων πακέτων στον παραλήπτη. Τα πειραματικάαποτελέσματα πιστοποιούν τους αρχικούς μας σχεδιαστικούς στόχους και αναδεικνύουν τη δυνατότητα του πρωτοκόλλου DTPC να συμπληρώσει τα λειτουργικά κενά της αρχιτεκτονικής DTN που μελετάμε.Στο τελευταίο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής εστιάζουμε στη παροχή διαφοροποιημένων υπηρεσιών μέσω μηχανισμών χρονοπρογραμματισμού των πακέτων σε επίπεδο δρομολογητή, με απώτερο στόχο την αποδοτική διασύνδεση-λειτουργία μεταξύ διαφορετικών επικοινωνιακών συστημάτων. Η έρευνα μας προσανατολίζεται στο Διαδίκτυο και συγκεκριμένα στην αποδοτική μεταφορά δεδομένων αυτόνομων δικτύων, όπως δικτύων αισθητήρων και δικτύων μετάδοσης φωνής (VoIP), μέσω του Διαδικτύου. Στοχεύουμε σε λύσεις που βασίζονται στη φιλοσοφία Μικρότερη Επίδραση - Καλύτερη Εξυπηρέτηση (Less Impact – Better Service, LIBS) και υλοποιούμε το μηχανισμό Non-Congestive Queuing Plus (NCQ+). O μηχανισμός NCQ+ ομαδοποιεί τα πακέτα σε διαφορετικές κλάσεις ανάλογα με το μέγεθος τους και δίνει προτεραιότητα σε πακέτα (άρα και εφαρμογές) ανάλογα με την επίδραση τους στη συνολική συμφόρηση. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο μηχανισμός NCQ+ επιτυγχάνει σημαντική αύξηση της απόδοσης στις μη-συμφορητικές εφαρμογές κατανέμοντας δίκαια τους διαθέσιμους πόρους, με σχεδόν μηδενική επίδραση στην απόδοση των υπολοίπων εφαρμογών.Στα πλαίσια της διατριβής αναπτύξαμε ένα DTN Testbed, το οποίο είναι ικανό να εξομοιώνει ρεαλιστικά διαστημικά σενάρια επικοινωνίας που βασίζονται στην αρχιτεκτονική DTN. Παρέχει το κατάλληλο περιβάλλον για την αξιολόγηση πρωτοκόλλων και αρχιτεκτονικών για διαστημικά δίκτυα και μπορεί εύκολα να επεκταθεί, ώστε να συμπεριλάβει νέα πρωτόκολλα και βελτιωμένους μηχανισμού εξομοίωσης στο μέλλον.