Energy-efficient peer-to-peer networking for constrained-capacity mobile environments

Abstract Energy efficiency is a powerful measure for promoting sustainability in technological evolution and ensuring feasible battery life of end-user devices in mobile computing. Peer-to-peer technology provides decentralized and self-organizing architecture for distributing content between devices in networks that scale up almost infinitely. However, peer-to-peer networking may require lots of resources from peer nodes, which in turn may lead to increased energy consumption on mobile devices. For this reason, peer-to-peer networking has so far been considered unfeasible for mobile environment. This thesis makes several contributions towards enabling energy-aware peer-to-peer networking in mobile environments. First, an empirical study is conducted to understand the energy consumption characteristics of radio interfaces and typical composition of traffic in structured peer-to-peer networks. This is done in order to identify the most essential obstacles for utilizing peer-to-peer technology in mobile environments. Second, the e-Aware model for estimating the energy consumption of a mobile device is developed and empirically verified to achieve 3-21% error in comparison to real-life measurements. Third, the e-Mon model for the energy-aware load monitoring of peer nodes is developed and demonstrated to improve the battery life of mobile peer nodes up to 470%. Fourth, the ADHT concept of mobile agent based virtual peers is proposed for sharing the peer responsibilities between peer nodes in a subnet so that they can participate in a peer-to-peer overlay without compromising their battery life. The results give valuable insight into implementing energy-efficient peer-to-peer systems in mobile environments. The e-Aware energy consumption model accelerates the development of energy-efficient networking solutions by reducing the need for time-consuming iterations between system development and evaluations with real-life networks and devices. The e-Mon load monitoring model facilitates the participation of battery-powered devices in peer-to-peer and other distributed networks by enabling energy-aware load balancing where energy-critical mobile nodes carry less load than other nodes. The ADHT facilitates the participation of constrained-capacity wireless devices, such as machine-to-machine nodes, in a peer-to-peer network by allowing them to sleep for most of their time.Tiivistelmä Energiatehokkuus on kustannustehokas tapa vähentää päätelaitteiden käytön aiheuttamia kasvihuonepäästöjä sekä parantaa niiden akunkestoa. Vertaisverkkoteknologia tarjoaa hajautetun, itseorganisoituvan, sekä lähes rajattomasti skaalautuvan verkkoarkkitehtuurin päätelaitteiden väliseen tallennustilan, mediasisältöjen ja tietoliikennekapasiteetin suorajakamiseen. Vertaisverkkojen suurin heikkous mobiilikäytön näkökulmasta on niiden päätelaitteille aiheuttama ylimääräinen kuormitus, mikä näkyy lisääntyneenä energiankulutuksena. Tässä väitöskirjassa on tutkittu mekanismeja vertaisverkon päätelaitteiden energiatehokkuuden parantamiseksi, tavoitteena riittävä akunkesto mobiilikäytössä. Aluksi työssä tutkittiin empiirisesti langattomien verkkojen mobiilipäätelaitteille aiheuttamaa energiankulutusta sekä rakenteellisten vertaisverkkojen vertaispäätelaitteille aiheuttamaa liikennekuormitusta. Tavoitteena oli muodostaa käsitys suurimmista haasteista mobiililaitteiden käytölle vertaisverkoissa. Seuraavaksi mobiiliverkkojen energiankulutusta koskevasta havaintoaineistosta muodostettiin energiankulutusmalli, e-Aware, jolla voitiin arvioida mobiilipäätelaitteen energiankulutusta erilaisilla verkon liikenneprofiileilla. Mallilla saavutettiin parhaimmillaan kolmen prosentin keskimääräinen virhe. Kolmannessa vaiheessa kehitettiin energiatietoinen kuormanseurantamalli, e-Mon, jota käyttäen saavutettiin jopa 470 % lisäys mobiilin vertaispäätelaitteen akunkestoon. Viimeisessä vaiheessa kehitettiin ADHT-konsepti, joka on uudentyyppinen tapa jakaa vertaispäätelaitteiden kuormaa usean saman verkkoklusterin päätelaitteen kesken käyttäen laitteesta toiseen kiertävää mobiiliagenttia. Väitöskirjan tulokset osoittavat että mobiililaitteiden energiatehokkuutta vertaisverkoissa pystytään olennaisesti parantamaan energiatietoisia kuormanjakomekanismeja käyttäen. Työssä kehitetty e-Aware nopeuttaa energiatehokkaiden hajautettujen järjestelmien kehitystyötä tarjoamalla tehokkaan työkalun järjestelmän energiankulutuksen arvioimiseen jo kehitysvaiheessa. e-Mon mahdollistaa energiatietoisen kuormanjaon vertaisverkoissa tarjoamalla tarvittavan kuormanseurantamallin. ADHT puolestaan tarjoaa uudenlaisen tavan vähentää vertaisverkkojen aiheuttamaa päätelaitekuormitusta hyödyntäen maksimaalisesti rajoitetun kapasiteetin laitteiden unitilojen käyttöön perustuvaa energiankulutusoptimointia