Towards a future internet architecture: protocols and support mechanisms

Abstract

Internet's fundamental role in most aspects of modern life constitutes, beyond any doubt, a fact. Its influence on today’s life is expected to be further increased in the near future, given the interconnection of different types of devices, the support for myriads of applications and the provision of ubiquitous network connectivity, independently of location and user privileges; thus, signaling the dawn of the Future Internet era. Nevertheless, various design and operational limitations of the current Internet architecture restrict the establishment of a sufficiently broad networking platform. Therefore, the Internet architecture, as it currently stands, is unable to satisfy the properties of Global Architecture, Global Reach and Global Empowerment that the Future Internet needs to exhibit. To this end, this thesis focuses on solutions for a number of challenging issues related to the Future Internet.In this context, Delay-/Disruption-Tolerant Networking (DTN) is proposed as a network architecture that is suitable to support the formation of the Future Internet by addressing most of current Internet architecture limitations in terms of fostering interoperability among heterogeneous network environments. More specifically, it is argued that DTN could play a key role in this formation process: first, by allowing users and devices from heterogeneous networking environments to transparently communicate with each other, independently of the underlying protocol stack, and, second, by acting as a service layer for mitigating various network connectivity issues, such as long delays and connectivity disruptions, that occur mainly due to the continually extended use of wireless communications.With a view to further enhance the operational capabilities of a DTN-based Future Internet architecture, specific solutions for real-world applications are proposed and developed, with a special emphasis placed upon data dissemination, availability, and accessibility topics. In particular, in terms of data dissemination, Bundle Streaming Service (BSS) is developed to enhance Future Internet data streaming capabilities. BSS constitutes a DTN-based data streaming content distribution framework that can be employed to alleviate most of the networking challenges related to both live and stored data streaming over heterogeneous network environments. With respect to network availability and accessibility topics, a fully distributed, scalable, Space-based, data dissemination system is proposed in order to broaden Future Internet availability and widen the accessibility of its resources. Through this system, data can be asynchronously delivered to interested end-users across the globe; an approach that significantly increases the cost-effectiveness of the proposed system — thus, making it affordable and applicable to a much wider audience. Furthermore, Hybrid Packet Scheduling Scheme (HPSS) is developed to widen the accessibility on Future Internet network resources by enhancing the efficiency of broadband sharing schemes. HPSS constitutes a queue-management framework that allows for a more effective exploitation of the available broadband network resources by guest users; thus, allowing Internet access to further broaden without any additional cost. Extensive analytical, simulation and emulation studies are performed, accordingly, to assess both the efficiency and the effectiveness of the aforementioned solutions. The respective evaluation results provide useful insights into the dynamics of the various Future Internet topics explored herein.In conclusion, this thesis not only contributes to the theoretical perspective of Future Internet deployment by exploring the networking challenges and opportunities stemming from changes in current Internet architecture but also sheds light on many real-world applications. In this regard, it shows that: i) it is possible to efficiently transfer data streams over heterogeneous internetworked environments, ii) the incorporation of Space assets into a Future Internet architecture and the implementation of an asynchronous data delivery system is technically feasible by utilizing already-existing and proven-to-work networking technologies, iii) unused bandwidth capacity from broadband network infrastructures can be exploited in a fully transparent and scalable manner to strengthen the overall global networking participation and enhance the social impact of the Future Internet.

Ο θεμελιώδης ρόλος του Διαδικτύου στις περισσότερες πτυχές του σύγχρονου τρόπου ζωής αποτελεί αδιαμφισβήτητο γεγονός. Η επιρροή που ασκεί το Διαδίκτυο σήμερα αναμένεται να αυξηθεί περαιτέρω στο προσεχές μέλλον με τη διασύνδεση συσκευών διαφορετικού τύπου, την υποστήριξη πληθώρας εφαρμογών και την παροχή καθολικής δικτυακής συνδεσιμότητας, ανεξαρτήτως τοποθεσίας και προνομιών χρήστη σηματοδοτώντας με τον τρόπο αυτό την απαρχή της εποχής του Μελλοντικού Διαδικτύου. Παρόλα αυτά, διάφοροι σχεδιαστικοί και λειτουργικοί περιορισμοί της υπάρχουσας αρχιτεκτονικής του Διαδικτύου εμποδίζουν την εγκαθίδρυση μιας τόσο διευρυμένης διαδικτυακής πλατφόρμας. Επομένως, η αρχιτεκτονική του Διαδικτύου, στην παρούσα μορφή της, είναι ανίκανη να υποστηρίξει τις συνθήκες της Καθολικής Αρχιτεκτονικής, Καθολικής Διαθεσιμότητας και Καθολικής Πρόσβασης τις οποίες το Μελλοντικό Διαδίκτυο θα πρέπει να ικανοποιεί. Έχοντας υπόψη αυτούς του περιορισμούς, η διατριβή επικεντρώνεται στην πρόταση και την ανάπτυξη λύσεων για μια πληθώρα απαιτητικών ζητημάτων που σχετίζονται με το Μελλοντικό Διαδίκτυο. Σε αυτό το πλαίσιο, προτείνεται η χρήση της αρχιτεκτονικής δικτύων ανεκτικών στην καθυστέρηση και στις διακοπές (Delay-/Disruption-Tolerant Networking - DTN) ως μιας διαδικτυακής αρχιτεκτονικής που δύναται να συνεισφέρει καθοριστικά στον σχηματισμό του Μελλοντικού Διαδικτύου. Η κύρια συνεισφορά της έγκειται στο γεγονός ότι μέσω των μηχανισμών που προσφέρει καθιστά δυνατή την αντιμετώπιση των αδυναμιών της υπάρχουσας αρχιτεκτονικής του Διαδικτύου, κυρίως ως προς την διασύνδεση ετερογενών διαδικτύων. Πιο συγκεκριμένα, υποστηρίζεται πως η αρχιτεκτονική DTN μπορεί να διαδραματίσει κεντρικό ρόλο στην διαδικασία σχηματισμού του Μελλοντικού Διαδικτύου: αρχικά, επιτρέποντας σε χρήστες και συσκευές ετερογενών δικτυακών περιβαλλόντων να επικοινωνούν μεταξύ τους, ανεξαρτήτως της υποκείμενης στοίβας πρωτοκόλλων και εν συνεχεία, δρώντας ως ένα δικτυακό στρώμα μέσω του οποίου θα είναι δυνατή η επίλυση διαφόρων ζητημάτων συνδεσιμότητας, όπως, για παράδειγμα, οι μεγάλες καθυστερήσεις και οι συνεχείς διακοπές επικοινωνίας, τα οποία προκύπτουν κυρίως από την αυξανόμενη χρήση ασύρματων τεχνολογιών επικοινωνίας. Με σκοπό την περαιτέρω ενίσχυση των λειτουργικών δυνατοτήτων μιας αρχιτεκτονικής του Μελλοντικού Διαδικτύου η οποία θα βασίζεται στην αρχιτεκτονική DTN, προτείνονται και υλοποιούνται επίσης δικτυακές λύσεις για πρακτικές εφαρμογές, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση σε θέματα διάχυσης, διαθεσιμότητας και προσβασιμότητας δεδομένων. Συγκεκριμένα, σχετικά με το θέμα της διάχυσης δεδομένων, υλοποιείται το Bundle Streaming Service (BSS) με σκοπό την ενίσχυση των δυνατοτήτων του Μελλοντικού Διαδικτύου ως προς τη μεταφορά ροών δεδομένων. Το BSS αποτελεί πλαίσιο διαχείρισης ροών δεδομένων, το οποίο βασίζεται στην αρχιτεκτονική DTN και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την άμβλυνση των περισσότερων δικτυακών προκλήσεων που σχετίζονται με την μεταφορά ροών δεδομένων, τόσο πραγματικού όσο και μεταγενέστερου χρόνου, μεταξύ ετερογενών διαδικτύων. Όσον αφορά τα ζητήματα της προσβασιμότητας και της διαθεσιμότητας, προτείνεται ένα πλήρως κατανεμημένο, επεκτάσιμο και βασιζόμενο σε δορυφορικές επικοινωνίες σύστημα διάχυσης δεδομένων. Μέσω αυτού του συστήματος, δεδομένα μπορούν να μεταφερθούν με ασύγχρονο τρόπο σε ενδιαφερόμενους τελικούς χρήστες σε κάθε σημείο της γης, επεκτείνοντας με αυτό τον τρόπο την διαθεσιμότητα του Μελλοντικού Διαδικτύου. Η συγκεκριμένη δυνατότητα της ασύγχρονης μεταφοράς δεδομένων αυξάνει σημαντικά την αποδοτικότητα ως προς το κόστος του προτεινόμενου συστήματος, καθιστώντας το προσιτό και προσβάσιμο από το ευρύ κοινό. Τέλος, υλοποιείται ο μηχανισμός Hybrid Packet Scheduling Scheme (HPSS) με σκοπό την περαιτέρω ενίσχυση της προσβασιμότητας στους δικτυακούς πόρους του Μελλοντικού Διαδικτύου, μέσω της ενίσχυσης της αποδοτικότητας των συστημάτων διαμοιρασμού ευρυζωνικής σύνδεσης. Ο μηχανισμός HPSS αποτελεί ένα πλαίσιο διαχείρισης ουράς μέσω του οποίου επιτυγχάνεται αποδοτικότερη εκμετάλλευση των διαθέσιμων πόρων μια ευρυζωνικής σύνδεσης από επισκέπτες χρήστες επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την επέκταση του Μελλοντικού Διαδικτύου, χωρίς κανένα επιπλέον κόστος. Εκτενείς μελέτες ανάλυσης, προσομοιώσεις και εξομοιώσεις υλοποιούνται, ανάλογα με την εκάστοτε περίπτωση, ώστε να αξιολογηθεί τόσο η αποδοτικότητα όσο και η αποτελεσματικότητα των προαναφερθέντων δικτυακών λύσεων. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης παρέχουν πληθώρα χρήσιμων πληροφοριών σχετικά με τη δυναμική των διαφόρων θεμάτων που διερευνούνται στα πλαίσια της διατριβής και σχετίζονται με το Μελλοντικό Διαδίκτυο. Συμπερασματικά, η συνεισφορά της διατριβής δεν εξαντλείται στη θεωρητική μελέτη σχηματισμού του Μελλοντικού Διαδικτύου, μέσω της διερεύνησης των δικτυακών προκλήσεων που προκύπτουν από αλλαγές στην υπάρχουσα αρχιτεκτονική του Διαδικτύου, αλλά επεκτείνεται και σε ζητήματα που αφορούν πρακτικές εφαρμογές. Από αυτή την σκοπιά, συνάγεται μέσω των αποτελεσμάτων που παρουσιάζονται ότι: α) είναι δυνατή η αποδοτική μεταφορά ροών δεδομένων μεταξύ ετερογενών δικτύων, β) η ενσωμάτωση δορυφορικών στοιχείων επικοινωνίας στην αρχιτεκτονική του Μελλοντικού Διαδικτύου καθώς και η υλοποίηση ενός συστήματος ασύγχρονης διάχυσης δεδομένων αποτελούν τεχνικά εφικτές ενέργειες στηριζόμενες σε υπάρχουσες και ενδελεχώς δοκιμασμένες δικτυακές τεχνολογίες και γ) οι διαθέσιμοι πόροι υποδομών διαμοιρασμού ευρυζωνικής σύνδεσης μπορούν να αξιοποιηθούν με έναν πλήρως διαφανές, ως προς τον τελικό χρήστη, και επεκτάσιμο τρόπο, ώστε να ενισχυθεί συνολικά η προσβασιμότητα στο Μελλοντικό Διαδίκτυο, ενδυναμώνοντας περαιτέρω κατά αυτόν τον τρόπο την απήχηση του στην κοινωνία.