Delay tolerant networks with traffic differentiation capabilities

Dissertação de mestrado em Engineering of Computer Networks and Telematic ServicesIn the last few decades, an increasing growth of Internet usage was witnessed worldwide. However, infrastructures do not always allow the existence of Internet connectivity everywhere. Therefore, to address this issue, the concept of Delay Tolerant Networks (DTNs) was developed. DTNs purpose is to provide a different level of intermittent connectivity, dissimulating connection problems that arise in complex connectivity scenarios. Examples of such scenarios are, for instance, cities, where cars exchange information about their location; in underdeveloped countries, where Internet is inexistent; in freeways, where is not viable to provide infrastructures for a continuous connectivity, but cars, tolls, and services need to be aware of each other. Thus, DTNs constitute a possible solution for all the aforementioned communication environments. However, DTNs still faces some obstacles in terms of delivering a service with quality as it lacks specific mechanisms, such as traffic differentiation. Traffic differentiation is essential to provide different levels of service quality regarding delivering of messages. Current proposals to improve service delivery through traffic differentiation on DTNs are still under development or lack the proper testing and simulation. The main focus of these proposals is on buffer management mechanisms at each DTN node, instead of message prioritisation mechanisms. Message prioritisation allows some messages to be prioritised over others, improving the delivery rate and, therefore, increasing the probability of a message being correctly delivered. The present thesis implements traffic differentiation in DTNs based on prioritisation strategies, assuming a clear alternative to other buffer management proposals and message prioritisation. Using The One simulation tool, three popular DTNs routing protocols (Epidemic, Spray & Wait, and PRoPHET) are adapted to comply with traffic differentiation. The DTNs traffic prioritisation objective is achieved by designing, implementing and testing four distinct algorithms that classify and order messages according to their priority levels. These algorithms are based and extend some traditional traffic differentiation mechanisms, namely the well-known Priority Queuing and Weighted Round Robin strategies. Results from the simulation tests corroborate that the delivery rate of the messages is affected according to their priorities. Specifically, the simulation shows an increase in the delivery rate of high priority messages, with low impact on the total number of messages delivered, comparatively to the same scenario without differentiation capabilities. To conclude, DTNs can effectively benefit from traffic differentiation based on message prioritisation techniques, being a promising approach to improve service quality levels in such scenarios.Nas últimas décadas assistiu-se a um aumento crescente no uso da internet. Contudo, as infra-estruturas nem sempre permitem uma ligação à internet. Assim, para enfrentar este desafio, o conceito de Delay Tolerant Networks (DTN) foi desenvolvido. O objetivo das DTN é providenciar diferentes níveis de ligação intermitente, atenuando os problemas de ligação que surgem em cenários de conectividade complexa. Exemplos de tais cenários incluem, cidades, onde carros trocam informação da sua localização; países em vias de desenvolvimento, onde a internet é inexistente; em auto-estradas, onde não é viável conceber infra-estruturas que permitam uma conectividade permanente, mas onde carros, portagens e serviços necessitam de comunicar. Deste modo, as DTNs constituem uma solução possível para os ambientes indicados. Contudo, as DTNs ainda enfrentam alguns obstáculos na prestação de um serviço de qualidade, visto faltarem mecanismos específicos, como a diferenciação de tráfego. A diferenciação de tráfego é essencial para oferecer diferentes níveis de serviço de qualidade em termos de entrega de mensagens. As abordagens existentes para diferenciação de tráfego em DTNs ainda estão em fase de desenvolvimento. Estas focam-se principalmente nos mecanismos de gestão do buffer a cada nodo da DTN, em vez de ao nível de mecanismo de priorização das mensagens. A priorização de mensagens permite que algumas recebam prioridade em detrimento de outras, melhorando a taxa de entrega, aumentando a probabilidade desta ser entregue corretamente. Esta tese implementa diferenciação de tráfego em DTNs baseando-se em estratégias de priorização, assumindo-se como uma alternativa a outras abordagens de gestão de buffer e priorização de mensagens. Usando a ferramenta de simulação “The One”, foram adaptados três protocolos de routing DTN (Epidemic, Spray & Wait, and PRoPHET) de modo a obedecerem à diferenciação de tráfego. Este objetivo é alcançado pelo desenho, implementação e experimentação de quatro algoritmos que classificam as mensagens de acordo com o seu nível de prioridade, baseando-se em mecanismos tradicionais de diferenciação de tráfego, i.e. as estratégias de Priority Queuing e Weighted Round Robin. Os resultados demonstram que a taxa de entrega de mensagens é influenciada de acordo com as prioridades. Nomeadamente, há um aumento na taxa de entrega de mensagens com prioridade alta, com pouco impacto no número total de mensagens entregues, comparativamente com o mesmo cenário sem mecanismos de diferenciação. Em suma, as DTN podem beneficiar da diferenciação de tráfego baseado em técnicas de priorização de mensagens, representando uma abordagem à melhoria da qualidade de serviço bastante promissora