Event-driven Software-Architecture for Delay- and Disruption-Tolerant Networking

Morgenroth, Johannes

Eine kontinuierliche Ende-zu-Ende-Konnektivität ist nicht immer verfügbar, nicht einmal in drahtgebundenen Netzen. Verzögerungs- und unterbrechungstolerante Kommunikation (DTN) ersetzt die Ende-zu-Ende-Semantik mit einem Hop-by-Hop Store-Carry-and-Forward Ansatz und erlaubt es so Geräten miteinander zu kommunizieren, auch wenn es keinen kontinuierlichen Pfad gibt. Da bestehende DTN Implementierungen unter verschiedenen Einschränkungen leiden, stellt diese Arbeit die ereignisgesteuerte Software-Architektur von IBR-DTN, eine schlanke, leichte und erweiterbare Implementierung eines Netzwerk-Stacks für Verzögerungs- und unterbrechungstolerante Netze vor. In einer umfassenden Beschreibung der Architektur und den zugrunde liegenden Design-Entscheidungen, konzentriert sich diese Arbeit auf die Beseitigung von Schwächen des Bundle Protocols (RFC 5050). Eine davon ist die Abhängigkeit zu synchronisierten Uhren. Daher wirft diese Arbeit einen genaueren Blick auf diese Anforderung und präsentiert Ansätze, um diese Abhängigkeit in einigen Fällen zu umgehen. Für Szenarien die synchronisierte Uhren voraussetzen wird außerdem ein Ansatz vorgestellt, um die Uhren der einzelnen Knoten mit Hilfe von verteilten Zeitinformationen zu korrigieren. Um die Genauigkeit der Zeitinformationen von jedem Knoten vergleichen zu können, wird eine Bewertung der Uhren eingeführt. Zusätzlich wird ein Algorithmus vorgestellt, der die Parameter der Bewertung in Abhängigkeit von der ermittelten Genauigkeit der lokalen Uhr anpasst. In einer Evaluation wird die allgemeine Portabilität der Software zu verschiedenen Systemen gezeigt. Ferner wird bei einer Performance-Analyse die neue Software mit existierenden Implementierungen verglichen. Um eine Evaluation des Zeitsynchronisationsalgorithmus durchzuführen, wird der ONE Simlator so angepasst, dass jeder Knoten eine individuelle Uhr mit zufälligem Fehler besitzt. Außerdem wird eine spezielle Testumgebung namens Hydra vorgestellt um eine echte Implementierung des Zeitsynchronisationsalgorithmus zu testen. Hydra instanziiert virtualisierte Knoten mit einem kompletten Betriebssystem und bietet die Möglichkeit echte Software in großen DTN Szenarien zu testen. Sowohl die Simulation als auch die Emulation in Hydra zeigen, dass der Algorithmus für die Zeitsynchronisation eine ausreichende Genauigkeit in Abhängigkeit von Kontakthäufigkeit erreicht.

Continuous end-to-end connectivity is not available all the time, not even in wired networks. Delay- and Disruption-Tolerant Networking (DTN) allows devices to communicate even if there is no continuous path to the destination by replacing the end-to-end semantics with a hop-by-hop store-carry-and-forward approach. Since existing implementations of DTN software suffer from various limitations, this work presents the event-driven software architecture of IBR-DTN, a lean, lightweight, and extensible implementation of a networking stack for Delay- and Disruption-Tolerant Networking. In a comprehensive description of the architecture and the underlying design decisions, this work focuses on eliminating weaknesses of the Bundle Protocol (RFC 5050). One of these is the dependency on synchronized clocks. Thus, this work takes a closer look on that requirement and presents approaches to bypass that dependency for some cases. For scenarios which require synchronized clocks, an approach is presented to distribute time information which is used to adjust the individual clock of nodes. To compare the accuracy of time information provided by each node, this approach introduces a clock rating. Additionally, a self-aligning algorithm is used to automatically adjust the node's clock rating parameters according to the estimated accuracy of the node's clock. In an evaluation, the general portability of the bundle node software is proven by porting it to various systems. Further, a performance analysis compares the new implementation with existing software. To perform an evaluation of the time-synchronization algorithm, the ONE simulator is modified to provide individual clocks with randomized clock errors for every node. Additionally, a specialized testbed, called Hydra, is being developed to test the implementation of the time-synchronization approach in real software. Hydra instantiates virtualized nodes running a complete operating system and provides a way to test real software in large DTN scenarios. Both the simulation and the emulation in Hydra show that the algorithm for time-synchronization can provide an adequate accuracy depending on the inter-contact times.

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Morgenroth, Johannes: Event-driven Software-Architecture for Delay- and Disruption-Tolerant Networking. 2015.

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