Extending internet access and enhancing mobile data offloading through peer - and vehicle - assisted communications

Abstract

In the present thesis, we study the problem of the recent explosion in mobile data traffic, which pushes the capacity limits of cellular networks, as well as the issue of the growing digital divide, i.e. the growing disparity between those with sufficient access to the Internet and those who cannot afford access to Internet services. To solve these challenges, we propose solutions that offload data from cellular networks and extend existing Internet coverage. To achieve that, we exploit the principles of Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN), since the delay-tolerant nature of several mobile applications, such as e-mail, file transfers or cloud storage synchronisation, allows for delays without significantly affecting user experience.Initially, we focus on wireless community networks in developing regions that usually rely on low-bandwidth backhaul links that are shared amongst a large user base, driving these links to sub-packet regimes where the per-flow throughput is less than one packet per Round-Trip Time (RTT). It has been proven that Transmission Control Protocol (TCP) does not perform effectively in such conditions, leading to unfairness, high packet loss rates and consecutive timeouts. As an alternative to TCP, we investigate the performance of a less-than-best-effort access method, namely Low Extra Delay Background Transport (LEDBAT) and its fair modification fLEDBAT, in the sub-packet regime of shared backhaul links. Our evaluation results show that fLEDBAT flows achieve higher link efficiency and increased fairness compared to TCP flows. However, when TCP and fLEDBAT flows share the same link in the sub-packet regime, fLEDBAT flows become aggressive, consuming more and more resources. In order for fLEDBAT to function properly, shared bottleneck detection mechanisms and a conservative reaction to consecutive timeouts need to be incorporated into its core.We then target dense urban environments and seek methods to increase the amount of cellular data offloaded through WiFi Access Points (APs). So far users perform either on-the-spot offloading (OTSO) when a WiFi AP is immediately available, or delay-tolerant offloading (DTO) when the transmission is delayed for some time in case the user encounters an offloading opportunity later. We highlight the fact that the limited amount of available open WiFi APs restrains the gains of existing offloading approaches and propose the Cost-Effective Multi-Mode Offloading (CEMMO) mechanism that enhances pure OTSO and pure DTO with a multi-hop peer-assisted offloading mode (PAO). The newly introduced PAO mode is the first solution of its kind that offloads data from the uplink, independent of content and popularity, since all peer-assisted offloading solutions so far rely on the concept of interests and subscriptions for popular content. Our evaluation results show that CEMMO successfully selects the most cost-effective transfer method and offloads significantly more data than pure OTSO and pure DTO, even when WiFi availability is limited. As a next step, we focus on providing free delay-tolerant Internet access to the under-privileged society that is currently excluded from today’s digital world. Large-scale deployments of open WiFi APs have been proven unfeasible due to the soaring costs they incur. User-provided networks have been proposed as an alternative, however such approaches only grant Internet access in specific areas, failing to provide extended coverage. As a solution, we design a networking architecture whose backbone framework consists of DTN nodes deployed on both public transport vehicles (data ferries), such as buses and trams, and their corresponding stops (gateways). To achieve data delivery within the Delay Tolerance Threshold that each user defines, we develop the Connectivity Plan Routing Protocol (CARPOOL), a DTN routing protocol that exploits the connectivity graph of public transport networks to select a route that is expected to achieve earliest delivery time between the end-user and an online gateway. We later introduce the Enhanced Connectivity Plan Routing Protocol (CARPOOL+) that exploits not only a priori knowledge of contacts between gateways and ferries, but also opportunistic contacts among ferries to compute routes, and also mitigates the impact of typical unpredictable delays caused by traffic, road accidents etc. Our evaluation results show that, compared to other well-known DTN routing protocols, CARPOOL+ achieves the highest delivery ratio with low latency and the lowest overhead.In the last part of this thesis, we focus on the development of a Future Internet architecture that combines the inherent ability of Information Centric Networking (ICN) to push content to the edges, in order to provide more localised access to important content, with a transmit-when-needed policy provided by DTN. The proposed I-DTN architecture ensures universal coverage by traversing the entire range of connectivity options and enables tighter integration of satellite and terrestrial communications. As a first step towards its implementation, we develop SPICE DTN testbed, a state-of-the-art DTN testbed for terrestrial, satellite and space communications. SPICE testbed includes not only several DTN nodes, but also specialised components that accurately emulate the functionality of typical ground stations (GSs), space links and satellites. Several new protocols and mechanisms mostly for space DTNs have already been implemented and evaluated using SPICE DTN testbed.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μετράμε το πρόβλημα της πρόσφατης έκρηξης του όγκου δεδομένων που μεταφέρονται μέσα από τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, καθώς επίσης και την αυξανόμενη δυσαναλογία ανάμεσα στα άτομα που έχουν πρόσβαση στο Διαδίκτυο και τα άτομα που δεν έχουν τη δυνατότητα να συνδεθούν στις υπηρεσίες του Διαδικτύου. Για την αντιμετώπιση των παραπάνω προκλήσεων, στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής προτείνουμε λύσεις για την εκφόρτωση δεδομένων από τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας και την επέκταση της υπάρχουσας διαδικτυακής κάλυψης. Συγκεκριμένα, αξιοποιούμε της αρχές των ανεκτικών δικτύων σε καθυστερήσεις και διακοπές (Delay/Disruption Tolerant Networks), από τη στιγμή που πολλές εφαρμογές για κινητές συσκευές είναι ανεκτικές σε καθυστερήσεις, όπως ο συγχρονισμός δεδομένων που αποθηκεύονται στο υπολογιστικό νέφος, και λειτουργούν αποδοτικά σε περίπτωση καθυστερήσεων χωρίς να επηρεάζουν την εμπειρία χρήσης.Αρχικά, επικεντρωνόμαστε σε ασύρματα κοινοτικά δίκτυα (wireless community networks) σε αναπτυσσόμενες χώρες που συχνά βασίζονται σε συνδέσεις χαμηλού εύρους ζώνης τα οποία μοιράζονται από ένα μεγάλο αριθμό χρηστών, οδηγώντας τις συνδέσεις στη συνθήκη του υπο-πακέτου, όπου η απόδοση ανά ροή είναι μικρότερη από ένα πακέτο ανά RTT. Έχει αποδειχθεί ότι το Transmission Control Protocol (TCP) δεν λειτουργεί αποδοτικά σε τέτοιες συνθήκες, οδηγώντας σε μη δικαιοσύνη, μεγάλο ποσοστό απώλειας πακέτων και συνεχόμενες λήξεις του χρονικού περιθωρίου (timeout). Ως εναλλακτική στο TCP, μελετάμε την απόδοση μιας μεθόδου πρόσβασης less-than-best-effort (LBE), την Low Extra Delay Background Transport (LEDBAT) και τη παραλλαγή της που εγγυάται δικαιοσύνη ανάμεσα στις ροές fLEDBAT, στη συνθήκη του υπο-πακέτου για συνδέσεις που μοιράζονται από πολλούς χρήστες. Σκοπός μας είναι να εξερευνήσουμε τη δυνατότητα χρήσης μιας μεθόδου πρόσβασης LBE, που έχει σχεδιαστεί ώστε να είναι λιγότερο επιθετική από το TCP, στη θέση του TCP για την μετάδοση δεδομένων σε συνδέσεις με περιορισμένο εύρος ζώνης.Στη συνέχεια στοχεύουμε σε αστικά περιβάλλοντα και αναζητούμε λύσεις ώστε να αυξήσουμε τον όγκο των δεδομένων που εκφορτώνονται από τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας μέσω σημείων πρόσβασης WiFi. Σήμερα οι χρήστες εφαρμόζουν είτε επί τόπου εκφόρτωση δεδομένων (on-the-spot offloading) όταν ένα σημείο πρόσβασης WiFi είναι άμεσα διαθέσιμο, είτε ανεκτική στην καθυστέρηση εκφόρτωση δεδομένων (delay-tolerant offloading) όταν η μετάδοση καθυστερεί για κάποιο χρονικό περιθώριο σε περίπτωση που κάποιος χρήστης έχει την ευκαιρία να εκφορτώσει δεδομένα μέσω WiFi αργότερα. Πολλές εφαρμογές, όπως το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο και η μεταφορά αρχείων, μπορούν να καθυστερήσουν τη μετάδοση δεδομένων χωρίς να επηρεάσουν την εμπερία χρήσης. Παρόλα αυτά, ο περιορισμένος αριθμός ανοιχτών σημείων πρόσβασης WiFi περιορίζει τα οφέλη των υπαρχόντων μεθόδων εκφόρτωσης δεδομένων από δίκτυα κινητής τηλεφωνίας. Ως λύση προτείνουμε τον μηχανισμό Cost-Effective Multi-Mode Offloading (CEMMO) που ενισχύει την επί τόπου εκφόρτωση δεδομένων και την ανεκτική στην καθυστέρηση εκφόρτωση δεδομένων με μια μέθοδο εκφόρτωσης δεδομένων πολλαπλών βημάτων μέσω χρηστών. Όλες οι μέθοδοι εκφόρτωσης δεδομένων μέσω χρηστών ως τώρα βασίζονται στην αρχή των ενδιαφερόντων και των συνδρομών σε δημοφιλές περιεχόμενο. Η νέα μέθοδος εκφόρτωσης δεδομένων μέσω χρηστών που προτείνουμε είναι η πρώτη λύση του είδους που επιτρέπει την εκφόρτωση δεδομένων από τις συνδέσεις ανεξάρτητα από το περιεχόμενο και τη δημοφιλία. Σκοπός μας είναι να αναπτύξουμε έναν μηχανισμό εκφόρτωσης δεδομένων που ενισχύει τη συνολική δυνατότητα εκφόρτωσης δεδομένων και αυξάνει το συνολικό όγκο δεδομένων που εκφορτώνονται από τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας.Στο επόμενο βήμα, επικεντρωνόμαστε στην παροχή δωρεάν πρόσβασης στο Διαδίκτυο, η οποία είναι ανεκτική στην καθυστέρηση, σε όσους βρίσκονται αποκομμένοι από τον σημερινό ψηφιακό κόσμο. Η εγκατάσταση ανοιχτών σημείων πρόσβασης WiFi σε μεγάλη κλίμακα έχει αποδειχθεί μη εφαρμόσιμη λόγω του τεράστιου οικονομικού κόστους που συνεπάγεται. Τα δίκτυα που παρέχονται από τους χρήστες (user-provided networks) έχουν προταθεί ως εναλλακτική, ωστόσο τέτοιες προσεγγίσεις παρέχουν πρόσβαση στο Διαδίκτυο μόνο σε συγκεκριμένες περιοχές χωρίς να παρέχουν εκτεταμένη κάλυψη. Ως λύση, σχεδιάζουμε μια δικτυακή αρχιτεκτονική, ο κορμός της οποίας αποτελείται από κόμβους ανεκτικούς στην καθυστέρηση που τοποθετούνται τόσο σε μέσα μαζικής μεταφοράς, όπως λεωφορεία και τραμς, όσο στις αντίστοιχες στάσεις και λειτουργούν ως μεταφορείς δεδομένων και πύλες δικτύων, αντίστοιχα. Για να επιτύχουμε μέγιστο κέρδος, αναπτύσσουμε το πρωτόκολλο δρομολόγησης γράφου συνδεσιμότητας (Connectivity Plan Routing Protocol), ένα DTN πρωτόκολλο δρομολόγησης που αξιοποιεί το γράφο συνδεσιμότητας των δικτύων μαζικής μεταφοράς και επιλέγει τη βέλτιστη διαδρομή που εκτιμάται πως θα παρέχει το γρηγορότερο χρόνο παράδοσης ανάμεσα στον τελικό χρήστη και μια συνδεδεμένη πύλη δικτύου. Στη συνέχεια προτείνουμε το ενισχυμένο πρωτόκολλο δρομολόγησης γράφου συνδεσιμότητας (Enhanced Connectivity Plan Routing Protocol), το οποίο αξιοποιεί όχι μόνο την εκ των προτέρων γνώση συνδέσεων ανάμεσα σε πύλες δικτύων και μεταφορείς δεδομένων, αλλά αξιοποιεί ακόμη και ευκαιριακές επαφές ανάμεσα σε μεταφορείς δεδομένων για να υπολογίσει διαδρομές, ενώ ταυτόχρονα είναι ανεκτικό σε καθυστερήσεις που δεν μπορούν να προβλεφθούν, όπως για παράδειγμα λόγω οδικών ατυχημάτων. Σκοπός μας είναι να αναπτύξουμε μια ολοκληρωμένη δικτυακή αρχιτεκτονική που αξιοποιεί τα μέσα μαζικής μεταφοράς σε αστικά περιβάλλοντα για να επεκτείνει την υπάρχουσα συνδεσιμότητα στο Διαδίκτυο.Στο τελευταίο μέρος της παρούσας διατριβής, επικεντρωνόμαστε στο σχεδιασμό μιας αρχιτεκτονικής για το Μελλοντικό Διαδίκτυο (Future Internet) η οποία συνδυάζει την ικανότητα των Δικτύων που βασίζονται στην Πληροφορία (Information Centric Networks) να «σπρώχνουν» δεδομένα στα άκρα του δικτύου ώστε να παρέχουν τοπική πρόσβαση σε σημαντικό περιεχόμενο, με μια στρατηγική μετάδοσης μόνο όταν χρειάζεται που παρέχεται από τα δίκτυα ανεκτικά στις καθυστερήσεις και διακοπές. Μια τέτοια αρχιτεκτονική, όχι μόνο ωθεί την καινοτομία σε ένα μεγάλο εύρος νέων υπηρεσιών και εφαρμογών, αλλά συμπεριλαμβάνει και τις υπάρχουσες επιτυχημένες υπηρεσίες του Διαδικτύου. Σκοπός μας είναι να χτίσουμε μια αρχιτεκτονική Διαδικτύου η οποία παρέχει καθολική κάλυψη, αξιοποιώντας όλες τις επιλογές συνδεσιμότητας, και επιτρέπει μεγαλύτερη ενσωμάτωση των επίγειων και των δορυφορικών επικοινωνιών. Ως ένα πρώτο βήμα προς την εφαρμογή της αρχιτεκτονικής αναπτύσσουμε το SPICE testbed, ένα DTN testbed που αξιοποιεί την τελευταία λέξη της τεχνολογίας και βρίσκεται στο Κέντρο Διαστημικής Διαδικτύωσης στην Ξάνθη. Το SPICE DTN testbed είναι ένα πειραματικό ερευνητικό περιβάλλον το οποίο έχει σχεδιαστεί συγκεκριμένα για επίγειες, δορυφορικές και διαστημικές επικοινωνίες και περιλαμβάνει εκτός από πολλούς κόμβους DTN, εξειδικευμένα εξαρτήματα τα οποία εξομοιώνουν με ακρίβεια τη λειτουργεία τυπικών σταθμών βάσης, διαστημικών συνδέσεων και δορυφόρων.