A Disruption Tolerant Network (DTN) is a sparse network where connectivity is regulated by the proximity of mobile nodes. Connections are sporadic and the delivery rate is closely related to node movement. As network resources often are limited in such settings, it is useful to monitor the network in order to make more efficient communication decisions. This study investigates existing routing protocols and monitoring tools for DTN that best cope with the requirements of a tactical military network. A model is proposed to estimate source to destination delay in DTN. This model is evaluated in a Java-based software simulator called The ONE. In order to match the tactical military environment, two scenarios are constructed. The squad scenario simulates the formation movement pattern of several squads and the hierarchical communication scheme that is maintained in a military context. The other scenario simulates a convoy line movement of a military group during transportation. The results of this study show that the proposed mechanism can improve delivery rate and reduce network overhead in settings with strict buffer limitations. The estimation worked best in scenarios that contained some patterns of movement or communication. These patterns are resembled in the model's collected data and the model can provide the user with rough estimates of end-to-end delays in the network. Primary use of this model has been to reduce number of old messages in the network, but other applications like anomaly detection are also discussed in this work. / Ett avbrottstolerant nätverk (DTN) är ett glest nät där konnektiviteten avgörs av närheten bland de rörliga noderna i nätverket. Avbrotten i ett sådant nät förekommer ofta och sporadiskt. Eftersom nätverksresurserna oftast är begränsade i sådana sammanhang, så är det lämpligt att övervaka nätverket för att göra det möjligt att fatta mer effektiva kommunikationsbeslut. Det här arbetet undersöker olika routingalgoritmer och övervakningsvektyg för DTN med hänsyn till de krav som ställs av ett taktiskt nät. En modell för att uppskatta fördröjningen från källa till destination är framtagen i arbetet. Modellen är utvärderad med hjälp av en Javabaserad mjukvarusimulator som heter The ONE. För att bäst representera den miljö som uppstår i militära sammanhang är två scenarion framtagna. Det första är ett truppscenario där nodernar rör sig i fromationer och nättrafiken följer den hierarkiska modellen som används i militär kommunikation. Det andra scenariot är ett konvojscenario där enheter marcherar på led. Resultaten från denna studie visar att den föreslagna modellen kan öka andelen levererade meddelanden och minska nätverksbelastningen i en miljö där bufferstorleken hos noderna är begränsad. Uppskattningen visade sig fungera bäst i scenarion som innehöll någon form av mönster bland nodernas rörelse eller deras kommunikation. Dessa mönster återspeglas i modellens insamlade data och modellen kan förse användaren med en grov estimering av slutfördröjningen till alla destinationer i nätet. Modellen har i huvudsak använts till att minska antalet gamla meddelanden i nätet, men arbetet berör även andra användningsområden som anomalidetektion.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:06:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5463.pdf: 18006027 bytes, checksum: 047b84b38eb03b475dacbf51b7bf50b1 (MD5) Previous issue date: 2013-07-31 / Financiadora de Estudos e Projetos / Vehicular ad-hoc networks (VANETs) are networks capable of establishing communications between vehicles and road-side units. VANETs could be employed in data transmission applications. However, due to vehicle mobility, VANETs present intermittent connectivity, making message transmission a challenging task. Due to the lack of an end-to-end connectivity, messages are forwarded from vehicle to vehicle and stored when it is not possible to retransmit. Additionally, in order to improve delivery probability, messages are replicated and disseminated over the network. However, message replication may cause high network overhead and resource usage. As result, considerable research e_ort has been devoted to develop algorithms for speci_c scenarios: low, moderate and high connectivity. Nevertheless, algorithms projected for scenarios with a speci_c connectivity lack the ability to adapt to situations with zones presenting diferent node density. This lack of adaptation may negatively a_ect the performance in application such as data transmission in cities. This masters project proposes develops a method to automatically adapt message replication routing algorithms to diferent node density scenarios. The proposed method is composed of three phases. The first phase collects data from message retransmission events using a standard routing algorithms. The second phase consists in training a decision tree classifier based on the collected data. Finally, in the third phase the trained classifier is used to determine whether a message should be retransmitted or not based on the local node density. Therefore, the proposed method allows routing algorithms to query the trained classifier to decide if a message should be retransmitted. The proposed method was evaluated with real movement traces in order to improve Spray and Wait and Epidemic routing algorithms. Results indicate that the proposed method may contribute to performance enhancement. / As VANETs são redes de veículos com capacidade de estabelecer comunicações sem fio entre veículos e com equipamentos nas estradas. Estas redes poderiam ser usadas para a transferência de dados de diversas aplicações. No entanto, devido á mobilidade dos veículos, as VANETs apresentam conectividade intermitente entre os nós, dificultando a transmissão de mensagens. Ante a impossibilidade de ter conectividade de fim a fim, as mensagens são encaminhadas progressivamente de veículo em veículo, e armazenadas quando não houver a possibilidade de retransmitir. Adicionalmente, para incrementar a probabilidade de entrega, as mensagens são replicadas e disseminadas pela rede. Não obstante, a replicação de mensagens pode gerar alta sobrecarga de rede e alto consumo de recursos. Por causa disto, projetaram-se algoritmos para cenários específicos de: baixa, moderada e alta conectividade. Estes algoritmos, quando aplicados em ambientes de zonas de diferente densidade de nós,como cidades, podem diminuir o seu desempenho pela falta da capacidade de se adaptar a diferentes condições de conectividade. Contudo, neste trabalho foi desenvolvido um método para adaptar o comportamento dos algoritmos de roteamento por replicação de mensagens a diferentes situações de conectividade segundo a densidade das zonas onde se movimentam os nós retransmissores. O método consiste em três fases. Na primeira, são coletados os dados dos eventos de repasse de mensagens utilizando o algoritmo de roteamento padrão. Na segunda fase, utilizam-se os dados coletados para treinar um classificador baseado em _arvores de decisão. Na _ultima fase, o classificador é então empregado para determinar se uma situação de repasse de mensagem _e favorável segundo a densidade de nós. Desta forma, os algoritmos de roteamento podem decidir se repassar ou não uma mensagem com o suporte do classificador. Esta abordagem foi avaliada com traces de movimentos reais, para aprimorar o desempenho dos algoritmos de roteamento Spray and Wait e Epidemic. Os resultados dos experimentos realizados revelam que esta abordagem pode contribuir para o aprimoramento do desempenho.

In the late 1990s, NASA conducted a study of the Interplanetary Internet (IPN) architecture. In order to build and deploy IPN infrastructure, the network technology had to be able to cope with long radio signal propagation delays and frequent radio link disruptions. The concept of a Delay Tolerant Networking (DTN) emerged after recognizing that such a networking paradigm can also be applicable for terrestrial use. DTN technology can be applied, for instance, in disaster situations, military battlefields, economically developing areas, and remote regions.This thesis follows the process of applying DTN technology to a remote, communication-challenged area in the Arctic part of Sweden. The aim of the DTN deployments in the remote villages of Sarek and Padjelanta National Parks, between 2008 and 2011, was to provide a basic set of ICT services to the nomadic Sami population. Therefore, the research presented here acknowledges and considers the specific geographical, technical, and cultural conditions of these areas, and how these conditions profoundly shaped the development of the deployed technology as well as the research methodology. As a result, this thesis makes scientific contributions to several research topics, spanning the fields of DTN routing, DTN service development, DTN evaluation methodologies, and ICT deployments.The first contribution in this thesis is the proposal of a new and improved version of the PRoPHETv2 routing protocol. The development of this routing protocol was driven by actual protocol use and the results of experiments conducted during the course of the DTN deployments.Secondly, this thesis proposes an alternative DTN routing objective for a typical remote village DTN scenario. Weaknesses of a conventional DTN routing research objective are exposed by outlining concrete geographical, social, and technical conditions discovered in DTN deployments on the field. When these conditions are overlooked, they can profoundly affect DTN deployments.Thirdly, this thesis discusses the development and deployment of the Not-So-Instant-Messaging (NSIM) DTN service. The NSIM service was designed to leverage from the decentralized DTN infrastructure. Its success in the field demonstrates the importance of localized DTN services. Fourthly, using qualitative reading of DTN routing related papers, this thesis describes shortcomings of established DTN routing evaluation methodologies. Extensive use of simulated environments and scarce real-world experiments in the DTN research field often leads to usage of specific hypothetical scenarios. These scenarios are difficult to compare or relate to each other. Additionally, DTN research that does contextualize itself in remote, extreme, and challenging scenarios performs evaluations of proposed routing schemes in urban or academic environments. The DTN evaluation model that is proposed here tries to improve the readability, comparability, and validity of DTN routing evaluations. This thesis also pays attention to the issue of how to evaluate the complex interplay that occurs between researchers, users, technology and environment throughout the deployment process. The suggested method highlights the dynamics of resistance, as conceptualized within Actor Network Theory (ANT). It illustrates how employment of the concept of resistance facilitates the recognition of different driving forces in the design process that emerge from the events in the deployment.Ultimately, the thesis contributes with the PRoPHET routing protocol specification in the "Request for Comments" (RFC) document series that is the official publication channel for the Internet Research Task Force (IRTF) and other Internet communities. The protocol specification published as the RFC6693 document allows for actual protocol implementation and assures interoperability. The discussion that follows the RFC document in this thesis focuses on the process of transferring scientific findings gained from the experiments on the deployment field into the Internet draft document that was finally recognized as an experimental RFC within the IRTF. / Godkänd; 2014; 20140407 (samo); Nedanstående person kommer att disputera för avläggande av teknologie doktorsexamen. Namn: Samo Grasic Ämne: Arbetsvetenskap/Human Work Science Avhandling: Development and Deployment of Delay Tolerant Networks: An Arctic Village Case Opponent: Professor Lars Wolf, Institut für Betriebssysteme und Rechneverbund, Technische Universität Braunschweig, Tyskland Ordförande: Docent Maria Udén, Avd för arbetsvetenskap, Institutionen för ekonomi, teknik och samhälle, Luleå tekniska universitet Tid: Måndag den 12 maj 2014, kl 10.00 Plats: A109, Luleå tekniska universitet För Tekniska fakultetsnämnden / Networking for Communications Challenged Communities: Architecture, Test Beds and Innovative Alliances

The IoT refers to the idea of internetworking physical devices, vehicles, buildings, and any other item embedded with the appropriate electronics, software, sensors, actuators, and network connectivity to allows them to interchange data and to provide highly effective new services. In this thesis we focus on the communications issues of the IoT in relation to mobility and we provide different solutions to alleviate the impact of these potential problems and to guarantee the information delivery in mobile scenarios. Our reference context is a Smart City where various mobile devices collaboratively participate, periodically sending information from their sensors. We assume that these services are located in platforms based in cloud infrastructures where the information is protected through the use of virtualisation ensuring their security and privacy. This thesis is structured into seven chapters. We first detail our objectives and identify the current problems we intend to address. Next, we provide a thorough review of the state of the art of all the areas involved in our work, highlighting how we improved the existing solutions with our research. The overall approach of the solutions we propose in this thesis use prototypes that encompasses and integrates different technologies and standards in a small infrastructure, using real devices in real scenarios with two of the most commonly used networks around the world: WiFi and 802.15.4 to efficiently solve the problems we originally identified. We focussed on protocols based on a producer/consumer paradigm, namely AMQP and particularly MQTT. We observed the behaviour of these protocols using in lab experiments and in external environments, using a mesh wireless network as the backbone network. Various issues raised by mobility were taken into consideration, and thus, we repeated the tests with different messages sizes and different inter-message periodicity, in order to model different possible applications. We also present a model for dimensioning the number of sources for mobile nodes and calculating the number of buffers required in the mobile node as a function of the number of sources and the size of the messages. We included a mechanism for avoiding data loss based on intermediate buffering adapted to the MQTT protocol that, in conjunction with the use of an alternative to the Network Manager in certain contexts, improves the connection establishment for wireless mobile clients. We also performed a detailed study of the jitter behaviour of a mobile node when transmitting messages with this proposal while moving through a real outdoor scenario. To emulate simple IoT networks we used the Cooja simulator to study and determine the effects on the probability of delivering messages when both publishers and subscribers were added to different scenarios. Finally we present an approach that combines the MQTT protocol with DTN which we specifically designed for constrained environments and guarantees that important information will never be lost. The advantage of our proposed solutions is that they make an IoT system more resilient to changes in the point of attachment of the mobile devices in an IoT network without requiring IoT application & service developers to explicitly consider this issue. Moreover, our solutions do not require additional support from the network through protocols such as MobileIP or LISP. We close the thesis by providing some conclusions, and identifying future lines of work which we unable to address here. / Internet de las cosas (IoT) se refiere a la idea de interconectar sensores, actuadores, dispositivos físicos, vehículos, edificios y cualquier elemento dotado de la electrónica, así como del software y de la conectividad de red que los hace capaces de intercambiar datos para proporcionar servicios altamente efectivos. En esta tesis nos centramos en temas relacionados con la comunicación de sistemas IoT, específicamente en situaciones de movilidad y en los problemas que esto conlleva. Con este fin ofrecemos diferentes soluciones que alivian su impacto y garantizan la entrega de información en estas situaciones. El contexto de referencia es una ciudad inteligente donde varios dispositivos móviles participan de forma colaborativa enviando periódicamente información desde sus sensores hacia servicios ubicados en plataformas en la nube (cloud computing) donde mediante el uso de virtualización, la información está protegida garantizando su seguridad y privacidad. Las soluciones propuestas en esta tesis se enfocan en probar sobre una pequeña infraestructura un prototipo que abarca e integra diferentes tecnologías y estándares para resolver eficientemente los problemas previamente identificados. Hemos enfocado nuestro esfuerzo en el uso de dispositivos sobre escenarios reales con dos de las redes más extendidas en todo el mundo: WiFi y enlaces 802.15.4. Nos enfocamos en protocolos que ofrecen el paradigma productor/consumidor como el protocolo avanzado de colas de mensajes (AMQP) y particularmente el protocolo de transporte de mensajes telemétricos (MQTT), observamos su comportamiento a través de experimentos en laboratorio y en pruebas al aire libre, repitiendo las pruebas con diferentes tamaños de mensajes y diferente periodicidad entre mensajes. Para modelar las diferentes posibles aplicaciones de la propuesta, se tomaron en consideración varias cuestiones planteadas por la movilidad, resultando en un modelo para dimensionar eficientemente el número de fuentes para un nodo móvil y para calcular el tamaño requerido del buffer, en función del número de fuentes y del tamaño de los mensajes. Proponemos un mecanismo adaptado al protocolo MQTT que evita la pérdida de datos en clientes móviles, basado en un buffer intermedio entre la producción y publicación de mensajes que, en conjunto con el uso de una alternativa al gestor de conexiones inalámbricas "Network Manager", en ciertos contextos mejora el establecimiento de las conexiones. Para la evaluación de esta propuesta se presenta un estudio detallado de un nodo móvil que se mueve en un escenario real al aire libre, donde estudiamos el comportamiento del jitter y la transmisión de mensajes. Además, hemos utilizado emuladores de redes IoT para estudiar y determinar los efectos sobre la probabilidad de entrega de mensajes, cuando se agregan tanto publicadores como suscriptores a diferentes escenarios. Finalmente, se presenta una solución totalmente orientada a entornos con dispositivos de recursos limitados que combina los protocolos MQTT con redes tolerantes a retardos (DTN) para garantizar la entrega de información. La ventaja de las soluciones que proponemos reside en el hecho de que los sistemas IoT se vuelven resilientes a la movilidad y a los cambios de punto de acceso, permitiendo así que los desarrolladores creen fácilmente aplicaciones y servicios IoT evitando considerar estos problema. Otra ventaja de nuestras soluciones es que no necesitan soporte adicional de la red como sucede con protocolos como MobileIP o el protocolo que separa el identificador del localizador (LISP). Se destaca cómo hemos mejorado las soluciones existentes hasta el momento de la escritura de esta disertación, y se identifican futuras líneas de actuación que no han sido contempladas. / Internet de les coses (IoT) es refereix a la idea d'interconnectar sensors, actuadors, dispositius físics, vehicles, edificis i qualsevol element dotat de l'electrònica, així com del programari i de la connectivitat de xarxa que els fa capaces d'intercanviar dades per proporcionar serveis altament efectius. En aquesta tesi ens centrem en temes relacionats amb la comunicació de sistemes IoT, específicament en situacions de mobilitat i en els problemes que això comporta. A aquest efecte oferim diferents solucions que alleugeren el seu impacte i garanteixen el lliurament d'informació en aquestes situacions. El context de referència és una ciutat intel·ligent on diversos dispositius mòbils participen de forma col·laborativa enviant periòdicament informació des dels seus sensors cap a serveis situats en plataformes en el núvol (cloud computing) on mitjançant l'ús de virtualització, la informació està protegida garantint la seva seguretat i privadesa. Les solucions proposades en aquesta tesi s'enfoquen a provar sobre una xicoteta infraestructura un prototip que abasta i integra diferents tecnologies i estàndards per a resoldre eficientment els problemes prèviament identificats. Hem enfocat el nostre esforç en l'ús de dispositius sobre escenaris reals amb dos de les xarxes més esteses a tot el món: WiFi i enllaços 802.15.4. Ens enfoquem en protocols que ofereixen el paradigma productor/consumidor com el protocol avançat de cues de missatges (AMQP) i particularment el protocol de transport de missatges telemètrics (MQTT), observem el seu comportament a través d'experiments en laboratori i en proves a l'aire lliure, repetint les proves amb diferents grandàries de missatges i diferent periodicitat entre missatges. Per a modelar les diferents possibles aplicacions de la proposta, es van prendre en consideració diverses qüestions plantejades per la mobilitat, resultant en un model per a dimensionar eficientment el nombre de fonts per a un node mòbil i per a calcular la grandària requerida del buffer, en funció del nombre de fonts i de la grandària dels missatges. Proposem un mecanisme adaptat al protocol MQTT que evita la pèrdua de dades per a clients mòbils, basat en un buffer intermedi entre la producció i publicació de missatges que en conjunt amb l'ús d'una alternativa al gestor de connexions sense fils "Network Manager'', en certs contextos millora l'establiment de les connexions. Per a l'avaluació d'aquesta proposta es presenta un estudi detallat d'un node mòbil que es mou en un escenari real a l'aire lliure, on estudiem el comportament del jitter i la transmissió de missatges. A més, hem utilitzat emuladors de xarxes IoT per a estudiar i determinar els efectes sobre la probabilitat de lliurament de missatges, quan s'agreguen tant publicadors com subscriptors a diferents escenaris. Finalment, es presenta una solució totalment orientada a entorns amb dispositius de recursos limitats que combina els protocols MQTT amb xarxes tolerants a retards (DTN) per a garantir el lliurament d'informació. L'avantatge de les solucions que proposem resideix en el fet que els sistemes IoT es tornen resilients a la mobilitat i als canvis de punt d'accés, permetent així que els desenvolupadors creuen fàcilment aplicacions i serveis IoT evitant considerar aquests problema. Un altre avantatge de les nostres solucions és que no necessiten suport addicional de la xarxa com succeeix amb protocols com MobileIP o el protocol que separa l'identificador del localitzador (LISP). Es destaca com hem millorat les solucions existents fins al moment de l'escriptura d'aquesta dissertació, i s'identifican futures línies d'actuació que no han sigut contemplades. / Luzuriaga Quichimbo, JE. (2017). Managing Mobility for Distributed Smart Cities Services [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/84744