Esta dissertação de mestrado apresenta um novo algoritmo de seleção de relays utilizando lógica fuzzy. O algoritmo proposto é distribuído, ao ser processado independentemente em cada nó dispensando a necessidade de uma entidade central, e multiobjetivo, visto que ele busca maximizar tanto o tempo de vida da rede como a vazão fim-a-fim. O novo método leva em conta o estado do canal instantâneo do canal relay-destino e a energia residual da bateria do nó. Como resultado, o algoritmo atribui um grau de relevância a cada candidato a relay, de forma que o nó com maior relevância é escolhido para retransmitir a mensagem proveniente da fonte. Os resultados mostram que um aumento considerável no tempo de vida de rede pode ser obtido sem comprometer a vazão fim-a-fim. / In this master thesis we present a new relay selection algorithm using fuzzy logic. The proposed algorithm is distributed, runs independently at each node, not requiring a central entity for coordination, and is multi-objective, since it aims to maximize both network lifetime and end-to-end throughput. The new method takes into account the instantaneous channel state of the relay-destination link and the residual energy of the node battery. As a result, the algorithm assigns a degree of relevance to each relay, such that the with a higher relevance is chosen to forward the source message. Results show that a considerable increase in the network lifetime can be obtained without compromising the end-to-end throughput.

Submitted by Milena Rubi (milenarubi@ufscar.br) on 2017-06-01T14:58:47Z No. of bitstreams: 1 SILVA_Alan_2016.pdf: 14722594 bytes, checksum: 0c8346924c434318f6c349f7ed8112d9 (MD5) / Approved for entry into archive by Milena Rubi (milenarubi@ufscar.br) on 2017-06-01T14:58:54Z (GMT) No. of bitstreams: 1 SILVA_Alan_2016.pdf: 14722594 bytes, checksum: 0c8346924c434318f6c349f7ed8112d9 (MD5) / Approved for entry into archive by Milena Rubi (milenarubi@ufscar.br) on 2017-06-01T14:58:59Z (GMT) No. of bitstreams: 1 SILVA_Alan_2016.pdf: 14722594 bytes, checksum: 0c8346924c434318f6c349f7ed8112d9 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-01T14:59:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SILVA_Alan_2016.pdf: 14722594 bytes, checksum: 0c8346924c434318f6c349f7ed8112d9 (MD5) Previous issue date: 2016-12-06 / Não recebi financiamento / The Multipath TCP (MPTCP) protocol allows applications to better explore the network resources available to multi-connected devices such as mobile phones or multi-homed systems. Here, some advantages are envisioned: bandwidth aggregation, the ability to maintain the connection, if one of the network path fails and the use of multiple paths. To extend these capabilities to the application, RFC 6897 defines an API to better control each of MPTCP’s subflows, so that these can be added or removed as needed. This work presents an initial API implementation as defined in RFC 6897. We implemented some functions described in the document, such as protocol on/o, check existent subflows and add new subflows. To test the API and validate our implementation we built an HTTP application that detects elephant flows and uses the API for open new subflows using the original TCP connection. Some tests were performed in a network using a cubic topology and showed that the API utilization decreased the Flow Completion time of TCP connections. / O protocolo Multipath TCP (MPTCP) permite que as aplicações possam explorar melhor os recursos de rede disponíveis para dispositivos multiconectados como os telefones móveis ou sistemas multi-homed. Aqui, algumas vantagens são previstas: agregação de banda, a habilidade de manter a conexão estabelecida se houver falha em um dos caminhos de rede e a utilização de múltiplos caminhos. Para estender essas capacidades para a aplicação, a RFC 6897 define uma API que permite um melhor controle de cada subfluxo MPTCP, de modo que esses possam ser adicionados ou removidos conforme necessário. Este trabalho apresenta uma implementação inicial da API descrita na RFC 6897 para o protocolo MPTCP. Sendo assim, implementamos algumas das funções de manipulação do protocolo MPTCP descritas no documento, quais sejam: ligar e desligar o protocolo, verificar subfluxos existentes e adicionar novos subfluxos. Para testar a API e validar a nossa implementação, nós desenvolvemos uma aplicação HTTP que detecta fluxos elefantes e utiliza a API para abrir novos subfluxos a partir da conexão TCP original. Testes de desempenho foram realizados em uma topologia cúbica e mostraram que a utilização da API pela aplicação diminuiu o Flow Completion Time das conexões TCP.

Este trabalho apresenta como proposta uma rede sem fio adaptativa, que utiliza o conceito de métricas inter-camadas na escolha das rotas. Para tal, foram realizadas simulações utilizando o programa computacional Network Simulator - NS. Escolheu-se utilizar o protocolo de roteamento OLSR, do inglês Optimized Link State Routing para realizar o cálculo e escolha das rotas, e o padrão IEEE 802.11g foi escolhido para transmissão de dados. As interações entre as camadas foram alteradas, de modo que o valor da relação interferência sinal ruído, do inglês, Signal-to-Interference Noise Ratio - SINR, seja percebida na camada física e repassada para camada de rede. Quando um elemento móvel recebe um pacote de controle de um determinado vizinho, o valor de SINR calculado representa o estado do enlace entre os dois elementos móveis. Assume-se que cada nó possui conhecimento prévio da taxa de transmissão que irá proporcionar a maior vazão possível, de acordo com o estado do enlace. E com base no conhecimento do estado dos enlaces no percurso fim-a-fim, a camada de rede irá buscar e estabelecer o caminho que proporcione a maior vazão possível. E buscando enfatizar os ganhos gerados pelo modelo proposto, os resultados obtidos nas simulações foram comparados com um modelo de rede não adaptativo, utilizando a versão tradicional do protocolo OLSR descrita pela RFC3626. Também verificou-se o desempenho do modelo proposto, em conjunto com algumas técnicas conhecidas e já estabelecidas de combate aos efeitos do desvanecimento. / This work presents a proposal of a wireless adaptive network which chooses its routes based on a cross-layer metric concept. This proposal was conducted by means of computer simulations and more specifically, using the Network Simulator - NS software. Procedures concerning the addiction and establishment of new routes were handled by the well known routing protocol, Optimized Link State Routing protocol - OLSR. The IEEE 802.11g standard was selected to perform all data transmissions. Interactions between the network layers were modified, so the information regarding the signal-to-interference noise ratio (SINR) detected at the physical layer, is delivered directly at the network layer. When a wireless node receives a routing packet from its neighbor, it calculates the SINR value which represents the link state between these two nodes. It is assumed that each wireless node previously knows the transmission rate, which will ensure the highest throughput regarding the state of link. Once a node gathers sufficient information about the link state of each hop across an end-to-end path, the network layer shall be able to calculate the route which offers the highest throughput. And to evaluate the advantages and disadvantages of this proposal, simulation results were compared to a non-adaptive network model, using the traditional version of the OLSR protocol described in the RFC3626. Also the performance of this proposal was evaluated, combined with already known and established fading reduction techniques.

Os backbones IP utilizam protocolos de roteamento do tipo estado do enlace para definir as rotas corretamente. Em situações de mudança na topologia, como uma falha, esses protocolos necessitam de um tempo para reagir e encontrar novas rotas. Durante esse tempo, as rotas ficam instáveis com alta taxa de pacotes perdidos e queda na confiabilidade do backbone. Esse trabalho propõe uma abordagem pró-ativa denominada Esquema de Caminhos Emergenciais Rápidos para auxiliar o protocolo de roteamento OSPF a reduzir a taxa de pacotes perdidos durante esse período. Essa abordagem realiza cálculos reutilizando a base de informações de roteamento do OSPF para gerar esses caminhos emergenciais, que são representados na tabela de encaminhamento através de marcas. Essas marcas são utilizadas então para guiar corretamente os pacotes no contorno de uma falha. Essa abordagem é avaliada em representações de topologias artificiais e reais, e também em simulação para analisar qual o ganho obtido na redução de pacotes perdidos em relação ao OSPF original. A abordagem desenvolvida demonstra resultados bastante satisfatórios em termos de extensão dos caminhos de recuperação utilizados e quantidade de informações extras adicionadas na tabela de encaminhamento em relação à abordagem concorrente. / IP network backbones use link state routing protocols to find correct routes. In face of a topology change, e.g. a failure, these protocols need some time to react to it in order to find new routes. During this time, the routes become unstable, causing high packet loss rate and depreciation of backbone reliability. This work presents a proactive approach named Fast Emergency Paths Schema to help the OSPF routing protocol during the convergence period in order to reduce packet loss rate. The approach conducts calculations reusing the routing information base of the OSPF in order to generate these emergency paths, which are represented in the forwarding table as marks. These are then used to guide the packets to correctly bypass a failure. The approach is evaluated by using various artificial and real topologies, and a simulation is also implemented in order to analyze the packet loss rate reduction in relation to the original OSPF. The analysis yielded satisfactory results in terms of the extension of the recovery paths used and of the amount of extra information added to the forwarding table in relation to the concurrent approach.

Voltado para Redes Tolerantes a Atrasos, o protocolo de roteamento Cultural GrAnt (CGrAnt) utiliza Otimização por Colônia de Formigas para representar o espaço populacional de um Algoritmo Cultural. O protocolo CGrAnt emprega diferentes componentes de conhecimento de modo a explorar as características da rede e melhorar o encaminhamento de mensagens: Domínio, Situacional e Histórico. O conhecimento de Domino exerce uma função central na operação do CGrAnt uma vez que ele influencia os conhecimentos Situacional e Hist ́rico, determinando se um n ́ deve explorar (através da seleção de novos encaminhadores de mensagens) ou intensificar (através da seleção de encaminhadores promissores previamente encontrados) o espaço de busca. Através do uso de uma m ́trica especıfica que analisa a dinâmica local da mobilidade dos, o conhecimento de Dom ́ determina o status da busca por caminhos (explora ̧ao ou interino ossificação). O uso dessa m ́trica pode induzir a falso-positivos ou falso-negativos quando o protocolo CGrAnt determina a qualidade de um n ́ como encaminhador de mensagens. De modo a mitigar as limitações da m ́trica original do CGrAnt, este trabalho propõe três metricas alternativas para o conhecimento de Domínio do CGrAnt. As m ́tricas propostas abordam aspectos da rede que n ̃o s ̃o contemplados pela abordagem utilizada pela métrica original. Os resultados mostram que as métricas propostas melhoram o desempenho do protocolo CGrAnt uma vez que apresentam redução na rela ̧ao de redundância de mensagens para todos os cenários de simula ̧ao utilizados e aumentam a taxa de entrega de mensagens em dois dos cenários utilizados. / Designed to Delay Tolerant Networks (DTNs), the Cultural GrAnt (CGrAnt) routing protocol uses Ant Colony Optimization metaheuristic to represent the population space of a Cultural Algorithm. The CGrAnt employs distinct components knowledge in order to explore the network characteristics and improve the message forwarding: Domain, Situational, and History. Domain knowledge plays a central role in the protocol operation as it influences the History and Situational knowledge, by determining if a node must explore (through the selection of new message forwarders) or exploit (through the selection of previously found message forwarders) the search space. By using a specific metric that analyzes the local dynamics of node mobility, the Domain knowledge can set the status of the path search (exploration or exploitation). The use of this metric can induce false- positives or false-negatives when the CGrAnt protocol evaluates the quality of a node as a message forwarder. In order to mitigate the limitations of the CGrAnt’s original metric, this work proposes three alternative metrics to the Domain knowledge of the CGrAnt. The proposed metrics cover aspects of the network which are not addressed by the original metric. Results show the new proposed metrics increase the CGrAnt performance as they achieve lower message redundancy ratio for all the scenarios considered and higher message delivery ratio for two scenarios.

Os backbones IP utilizam protocolos de roteamento do tipo estado do enlace para definir as rotas corretamente. Em situações de mudança na topologia, como uma falha, esses protocolos necessitam de um tempo para reagir e encontrar novas rotas. Durante esse tempo, as rotas ficam instáveis com alta taxa de pacotes perdidos e queda na confiabilidade do backbone. Esse trabalho propõe uma abordagem pró-ativa denominada Esquema de Caminhos Emergenciais Rápidos para auxiliar o protocolo de roteamento OSPF a reduzir a taxa de pacotes perdidos durante esse período. Essa abordagem realiza cálculos reutilizando a base de informações de roteamento do OSPF para gerar esses caminhos emergenciais, que são representados na tabela de encaminhamento através de marcas. Essas marcas são utilizadas então para guiar corretamente os pacotes no contorno de uma falha. Essa abordagem é avaliada em representações de topologias artificiais e reais, e também em simulação para analisar qual o ganho obtido na redução de pacotes perdidos em relação ao OSPF original. A abordagem desenvolvida demonstra resultados bastante satisfatórios em termos de extensão dos caminhos de recuperação utilizados e quantidade de informações extras adicionadas na tabela de encaminhamento em relação à abordagem concorrente. / IP network backbones use link state routing protocols to find correct routes. In face of a topology change, e.g. a failure, these protocols need some time to react to it in order to find new routes. During this time, the routes become unstable, causing high packet loss rate and depreciation of backbone reliability. This work presents a proactive approach named Fast Emergency Paths Schema to help the OSPF routing protocol during the convergence period in order to reduce packet loss rate. The approach conducts calculations reusing the routing information base of the OSPF in order to generate these emergency paths, which are represented in the forwarding table as marks. These are then used to guide the packets to correctly bypass a failure. The approach is evaluated by using various artificial and real topologies, and a simulation is also implemented in order to analyze the packet loss rate reduction in relation to the original OSPF. The analysis yielded satisfactory results in terms of the extension of the recovery paths used and of the amount of extra information added to the forwarding table in relation to the concurrent approach.

Nesta dissertação, um novo protocolo de roteamento voltado para Redes Oportunistas é apresentado. O protocolo proposto chama-se PSONET (do inglês PSO for Opportunistic Networks), uma vez que este utiliza um sistema híbrido composto por um algoritmo de enxame de partículas (do inglês PSO - Particle Swarm Optimization). A principal motivação para a utilização do PSO é tirar proveito da sua busca baseada em população de indivíduos e da adaptação da sua estrutura de aprendizado. O PSONET utiliza a técnica de otimização por enxame de partículas para direcionar o tráfego da rede através de um subconjunto de bons encaminhadores de mensagens. O PSONET analisa as condições de comunicação da rede, detectando se cada nó possui conexões esparsas ou densas e, portanto, toma melhores decisões quanto ao encaminhamento de mensagens. O protocolo PSONET é comparado com os protocolos Epidêmico e PROPHET em três cenários de mobilidades distintos: um modelo de mobilidade baseado em atividades, onde simula-se o dia a dia das pessoas em suas atividades de trabalho, lazer e descanso; um modelo de mobilidade baseado em comunidade de pessoas, onde simula-se um grupo de pessoas em suas comunidades, que eventualmente entrarão em contato com outras pessoas, que podem ou não fazer parte de sua comunidade, para realizar a troca de informações; e um modelo de mobilidade aleatória, onde simula-se um cenário dividido em comunidades, onde as pessoas escolhem um destino aleatoriamente, e, com base nas restrições do mapa, se movem até este destino utilizando o menor caminho encontrado. Os resultados, obtidos através do simulador THE ONE, mostram que nos cenários com modelo de mobilidade baseado em comunidade de pessoas e no modelo de mobilidade aleatória, o protocolo PSONET alcança uma maior taxa de entrega de mensagens e uma menor replicação de mensagens, se comparado com os protocolos Epidêmico e PROPHET. / In this research work, a new routing protocol for Opportunistic Networks is presented. The proposed protocol is called PSONET (PSO for Opportunistic Networks) since the proposal uses a hybrid system composed of a Particle Swarm Optimization algorithm (PSO). The main motivation for using the PSO is to take advantage of its search based on individuals and their learning adaptation. The PSONET uses the Particle Swarm Optimization technique to drive the network traffic through of a good subset of forwarders messages. The PSONET analyzes network communication conditions, detecting whether each node has sparse or dense connections and thus make better decisions about routing messages. The PSONET protocol is compared with the Epidemic and PROPHET protocols in three different scenarios of mobility: a mobility model based in activities, which simulates the everyday life of people in their work activities, leisure and rest; a mobility model based on a community of people, which simulates a group of people in their communities, which eventually will contact other people who may or may not be part of your community, to exchange information; and a random mobility pattern, which simulates a scenario divided into communities where people choose a destination at random, and based on the restriction map, move to this destination using the shortest path. The simulation results, obtained through The ONE simulator, show that in scenarios where the mobility model based on a community of people and also where the mobility model is random, the PSONET protocol achieves a higher messages delivery rate and a lower replication messages compared with the Epidemic and PROPHET protocols.

CAPES / Nesta tese são apresentados dois esquemas de comunicação cooperativa para redes cognitivas limitadas pelo máximo nível de interferência aceito na rede licenciada. Os esquemas são avaliados em função da probabilidade de outage, que representa a probabilidade de falha na comunicação. No primeiro esquema, a rede não licenciada é composta por uma fonte, um relay full-duplex dedicado e um destino. Contrastando com trabalhos anteriores, o modelo do sistema considera o enlace direto entre o transmissor e o destino não licenciados como informação útil. A análise apresentada inclui o efeito da interferência da rede licenciada, assim como, a auto-interferência no relay. Um esquema de alocação ótima de potência (OPA) é proposto. A estratégia OPA pode escolher entre dois modos de operação, a cooperação entre a fonte e relay ou transmissão direta da fonte. O esquema OPA proposto possui o melhor desempenho em termos de probabilidade de outage quando comparado com métodos concorrentes. No segundo esquema, o uso de codificação de rede é aplicado em um cenário cognitivo onde múltiplos usuários não licenciados cooperam entre si para enviar mensagens independentes ao destino não licenciado, ou seja, neste cenário não existem nós dedicados à transmissão da informação de um parceiro como no primeiro esquema. Os esquemas codificação de rede dinâmica (DNC) e codificação de rede dinâmica generalizada (GDNC) são avaliados em um cenário cognitivo, considerando um limite máximo de interferência na rede licenciada e uma potência máxima de transmissão para os nós não licenciados. A cooperação com codificação de rede é capaz de aumentar consideravelmente o desempenho da rede não licenciada quando comparado ao esquema decodifica-e-encaminha seletivo (SDF) e à transmissão direta sem cooperação. Adicionalmente, uma expressão analítica é derivada para a capacidade de -outage, sendo esta a máxima taxa de informação obtida pelos usuários não licenciados dada uma probabilidade de outage alvo. No intuito de maximizar a capacidade de -outage do esquema cognitivo GDNC, o número ótimo de pacotes de paridade é encontrado através do algoritmo de Dinkelbach. Uma comparação entre os dois esquemas propostos nesta tese, avaliando o uso de comunicação full-duplex no esquema com codificação de rede, é proposta como um direcionamento para trabalhos futuros. / In this work are presented two schemes of cooperative communication for cognitive radio networks limited by the maximum interference level acceptable at the licensed network. The schemes are evaluated in function of the outage probability, that is the probability of failure in the communication. In the first scheme, the unlicensed network is composed by a source, a dedicated full-duplex relay and a destination. Differently of previous works, the system model considers the direct link between the unlicensed transmitter and destination as useful information. The presented analysis includes the effect of the licensed interference, as well as, the self interference at the relay. Moreover, an optimal power allocation (OPA) scheme is proposed. The OPA strategy can choose between two modes of operation, cooperation between source and relay or source transmission only. The proposed OPA scheme has the best performance, when this is compared with concurrent schemes. In the second scheme, the use of network coding is applied in a cognitive scenario where multiple unlicensed users cooperate to send independent messages to the unlicensed destination, thus, in this scenario there are not dedicated nodes to transmission of partner information as in the first scheme. The dynamic network coding (DNC) and generalized dynamic network coding (GDNC) schemes are evaluated in a cognitive scenario, under a given maximum interference constraint set by the licensed network, as well as, the maximum transmit power limit of the unlicensed sources. The cooperation with network coding can provide significant gains in terms of performance, when compared to non cooperative or selective decode-and-forward (SDF) cooperative techniques. Also, a closed-form equation is obtained for the -outage capacity, which is the maximum information rate achieved by the secondary sources given a target outage probability. In order to maximize the -outage capacity of the cognitive GDNC, the optimum number of parity packets is found through Dinkelbach algorithm. A comparison between the two proposed schemes in this thesis, by analysing the use of full-duplex communication in the scheme with network coding, is proposed as a direction for future works.

O controle de congestionamento padrão do TCP apresenta vários problemas; ele não consegue distinguir se o pacote foi perdido por falha no enlace ou por descarte de pacotes devido a um congestionamento de rede (se a falha foi no enlace não há necessidade de ativar os mecanismos de controle de congestionamento); e o correto ajuste de sua taxa de transmissão requer informação de perdas de pacotes. Neste trabalho é apresentado o new generalized window advertising (NGWA), que é um novo esquema de controle de congestionamento para o TCP. O NGWA traz informações da banda disponível da infraestrutura de rede para os pontos finais da conexão TCP. Seu desempenho foi comparado com TCP New Reno, RED e o TCP padrão via simulações com o software NS-3, considerando topologias de rede largamente citadas na literatura. O NGWA foi, também, implementado e testado no Linux (versão 2.6.34). O novo método demonstrou ser superior aos comparados, apresentando uma operação mais estável, melhor justiça e menor taxa de perda de pacotes, considerando o elenco de testes realizados. / The TCP congestion control mechanism in standard implementations presents several problems; he cannot distinguish if the packet was lost by link failure or by congestion in the net (if the fault was in the link there is no need to active congestion control mechanisms); and the right adjust of your transmission rate requires information from packet loss. This work presents the new generalized window advertising (NGWA), which is a new congestion control scheme for TCP. The NGWA provides information considering the available bandwidth of the network infrastructure to the endpoints of the TCP connection. Results obtained by the NGWA approach were compared with those from TCP New Reno, RED, and standard TCP (using the network simulator NS-3), considering network topologies widely cited in the literature. A NGWA Linux implementation is also presented. The new method proved to be superior when compared with the traditional approaches, presenting a more stable operation, better fairness and lower packet loss, considering the set of tests carried out.

O presente trabalho consiste na proposta de um novo protocolo de transporte para redes tolerantes a atrasos e desconexões (DTN - Delay Tolerant Network) chamado PTTA - Protocolo de Transporte Tolerante a Atrasos (em inglês - DTTP - Delay Tolerant Transport Protocol). Este protocolo tem o objetivo de oferecer uma confiabilidade estatística na entrega das informações em redes deste tipo. Para isso, serão utilizados Códigos Fontanais como técnica de correção de erros. Os resultados mostram as vantagens da utilização do PTTA. Este trabalho ainda propõe um mecanismo de controle da fonte adaptável para o PTTA a fim de limitar a quantidade de dados gerados pela origem (fonte). O esquema proposto almeja aumentar a diversidade das informações codificadas sem o aumento da carga na rede. Para atingir este objetivo o intervalo de geração e o TTL (Time To Live - Tempo de vida) das mensagens serão manipulados com base em algumas métricas da rede. A fim de validar a eficiência do mecanismo proposto, diferentes cenários foram testados utilizando os principais protocolos de roteamento para DTNs. Os resultados de desempenho foram obtidos levando em consideração o tamanho do buffer, o TTL das mensagens e a quantidade de informação redundante gerada na rede. Os resultados de simulações obtidos através do simulador ONE mostram que nos cenários avaliados, o PTTA alcança um aumento na taxa de entrega das informações em um menor tempo, quando comparado com outro protocolo de transporte sem confirmação, permitindo assim um ganho de desempenho na rede. / The present work consists in the proposal of a new transport protocol for delay tolerant networks and disconnections (DTN - Delay Tolerant Network) called DTTP - Delay Tolerant Transport Protocol (in portuguese – PTTA - Protocolo de Transporte Tolerante a Atrasos). This protocol aims to provide a statistical reliability in DTNs' information delivery. For this, we use fountain codes as error correction technique. The results show the advantages of using DTTP. This work also proposes an adaptive control mechanism for the DTTP source to limit the amount of generated data. The proposed scheme aims at increasing the diversity of encoded information without increasing the load on the network. To achieve this goal the messages generation interval and TTL (Time To Live) will be handled based on some network metrics. In order to validate the efficiency of the proposed mechanism, different scenarios will be tested using the main routing protocols for DTNs. The performance results were obtained taking into account the buffer size, messages TTL and the amount of redundant information generated on the network. The simulation results, obtained through The ONE simulator, show that in the evaluated scenarios PTTA achieves an increase in the information delivery rate in a shorter time compared to other transport protocol for confirmation, thus allowing a gain in the network performance.