PL Niezawodne protokoły rozgłaszania dla mobilnych sieci ad hoc z właściwością żywotności

angielski

EN Mobile ad hoc networks are composed of autonomous and mobile hosts which communicate through wireless links without any additional network infrastructure or central points. Each pair of such hosts, between whom the distance is less than their transmission range, can communicate directly with each other. In mobile ad hoc networks, hosts are free to move and organise themselves arbitrary, so the resulting network topology may change rapidly and can get partitioned and reconnected unpredictably. One of the fundamental communication operations in mobile ad hoc networks is broadcasting--a process of sending a message from one host to all hosts in a network. Since broadcast is also a basic communication requirement to construct other and more complex distributed algorithms, it is important for any broadcast protocol to provide some message delivery guarantees, especially if host failures are taken into account. In the case of mobile and dynamic environments, however, this can be hard or even impossible to achieve. On the other hand, if it can be assumed that a group of collaborating hosts in a mobile ad hoc network can be partitioned and that partitions heal eventually, it is then possible to develop broadcast protocols with deterministic guarantees, even if hosts are unreliable. Informally, the assumption that any partition is not allowed to be permanently isolated is called the network liveness property. The broadcast protocols for mobile ad hoc networks with the network liveness property proposed till now guarantee, unconventionally, that only at least an arbitrary majority of operative hosts (i.e. hosts that have not failed) receives each broadcast message. This means that the guarantees of these protocols are different from those of uniform reliable, regular reliable, and best-effort reliable broadcasts. Moreover, in all these protocols, it is assumed that the minimum time of direct connectivity between any neighbouring hosts is much longer than maximum message transmission time. This assumption covers, however, the dependence of the required minimum time of direct communications, and hence of the correctness of these protocols, on some system parameters. In the context of the above observations, in this dissertation we propose novel reliable broadcast protocols for mobile ad hoc networks with the network liveness property. Towards the end, we first explicitly define a formal model of mobile ad hoc networks and the network liveness property. Additionally, we also present some results on the estimation of select parameters of the property, determined experimentally by simulation of several entity and group mobility models. Next, we scrutinise the broadcast protocols that have so far been proposed for mobile ad hoc networks with the network liveness property, thoroughly analyse their time constraints, and prove that the minimum time of direct connectivity, required by the protocols, depends on the total number of hosts in a network and on the total number of messages that can be disseminated by each host concurrently. Based on this observation, we then propose time-adjusted versions of the protocols by eliminating the dependencies of their time constraints. Since the guarantees of these protocols are unconventionally defined in terms of operative hosts, we thereafter design a set of new uniform reliable and regular reliable broadcast protocols, and discuss the implementation of best-effort reliable broadcast. For the proposed protocols, we show that their time constraints are independent of system parameters, prove analytically their correctness, and evaluate experimentally their performance in simulation tests. Finally, we describe Service-Oriented Ad Hoc System, a system that allows its users to create, publish, and access web services in mobile ad hoc networks, which was created to serve as a proof of the concept of the introduced broadcast solutions.

PL Mobilne sieci ad hoc (ang. mobile ad hoc networks) tworzone są przez autonomiczne i mobilne urządzenia, które wymieniają się wiadomościami z wykorzystaniem interfejsów komunikacji bezprzewodowej bez użycia jakiejkolwiek dodatkowej infrastruktury sieciowej. Upraszczając, każda para urządzeń mobilnej sieci ad hoc, która znajduje się wzajemnie w swoich zasięgach bezprzewodowych, może komunikować się ze sobą bezpośrednio, a urządzenia takie nazywane są sąsiednimi. Ponieważ urządzenia w tego typu sieciach mogą się swobodnie przemieszczać, to wskutek tego topologia połączeń pomiędzy nimi może zmieniać się nieustannie, w sposób nieprzewidywalny, a w szczególności może dochodzić do jej trwałego lub czasowego podziału, tj. do partycjonowania się sieci. Jednym z podstawowych mechanizmów komunikacyjnych w mobilnych sieciach ad hoc jest rozgłaszanie (ang. broadcast), za pomocą którego nadawca może wysłać wiadomość do wszystkich urządzeń w sieci. Protokoły takie umożliwiają bowiem propagowanie wiadomości w sieci niezależnie od jej aktualnej topologii połączeń i często wykorzystywane są do realizacji bardziej złożonych algorytmów rozproszonych. W konsekwencji, istotnym jest aby protokoły rozgłaszania zapewniały pewne gwarancje dostarczania wiadomości, w szczególności jeśli brane są pod uwagę potencjalne awarie urządzeń realizujących taką komunikację. W przypadku sieci mobilnych, ze względu na ich dynamiczną topologię połączeń, zapewnienie gwarancji dostarczania wiadomości może być jednak trudne lub wręcz niemożliwe. Z drugiej jednak strony, jeśli dopuszczalnym jest przyjęcie założenia, że mobilna sieć ad hoc spełnia tzw. właściwość żywotności sieci (ang. network liveness property), która (upraszczając) oznacza, że mobilna sieć ad hoc nie będzie się trwale partycjonowała, to dla takiej sieci możliwa jest konstrukcja protokołów rozgłaszania z deterministycznymi gwarancjami dostarczania wiadomości, nawet jeśli urządzenia tworzące tę sieć są zawodne. Gwarancje rozważanych dotychczas protokołów rozgłaszania tolerujących awarie dla mobilnych sieci ad hoc z właściwością żywotności zapewniają, że jedynie pewna większość działających w sieci urządzeń odbierze rozgłaszane wiadomości pod warunkiem, że ich nadawcy nie ulegną awarii. To oznacza, że gwarancje te nie są zgodne z gwarancjami standardowych mechanizmów podstawowego (ang. best-effort reliable broadcast), zgodnego (ang. regular reliable broadcast) oraz jednolitego (ang. uniform reliable broadcast) rozgłaszania niezawodnego, które wykorzystywane są jako podstawa komunikacyjna do realizacji przetwarzania rozproszonego w systemach zawodnych. Ponadto, w wypracowanych dotąd protokołach przyjmuje się, że czas połączenia bezpośredniego pomiędzy sąsiednimi urządzeniami w sieci jest znacznie większy od maksymalnego czasu transmisji pojedynczej wiadomości. Jak jednak można wykazać, z tak przyjętym założeniem związana jest dodatkowa zależność pomiędzy wymaganymi minimalnymi czasami połączeń bezpośrednich a pewnymi parametrami sieci, co czyni poprawność tychże protokołów zależną od parametrów sieci w której znajdują zastosowanie. W kontekście powyższych obserwacji, w niniejszej rozprawie proponuje się nowe protokoły rozgłaszania niezawodnego dla mobilnych sieci ad hoc z właściwością żywotności. W tym celu, w pierwszej kolejności, zdefiniowany został model formalny mobilnych sieci ad hoc i ich właściwość żywotności. Ponadto, zaprezentowane zostały wyniki estymacji wybranych parametrów tej właściwości uzyskane metodą symulacyjną z zastosowaniem grupowych i jednostkowych modeli ruchu. Następnie omówiono szczegółowo rozważane dotąd protokoły rozgłaszania tolerujące awarie dla mobilnych sieci ad hoc z właściwością żywotności, poddano analizie ich ograniczenia czasowe i udowodniono, że minimalny czas połączeń bezpośrednich, wymagany przez te protokoły, zależny jest od całkowitej liczby urządzeń tworzących sieć ad hoc oraz od liczby wiadomości jaką każde z tych urządzeń może rozgłaszać jednocześnie. Na podstawie tej obserwacji, zaproponowano nowe protokoły tolerujące awarie z ograniczeniami czasowymi wolnymi od tej zależności. Ponieważ gwarancje tychże protokołów są jednak inne niż gwarancje standardowych mechanizmów rozgłaszania niezawodnego, to w dalszej kolejności opracowano protokoły zapewniające gwarancje zgodnego i jednolitego rozgłaszania niezawodnego oraz przedyskutowano możliwość implementacji mechanizmu podstawowego rozgłaszania niezawodnego. Dla wszystkich zaprojektowanych protokołów pokazano, że ich ograniczenia czasowe są niezależne od całkowitej liczby urządzeń w sieci i liczby wiadomości jaką te urządzenia mogą rozgłaszać jednocześnie, dowiedziono analitycznie ich poprawność oraz dokonano symulacyjnej oceny ich efektywności. Ostatecznie, przedstawiono także system o nazwie Service-Oriented Ad Hoc System, który umożliwia tworzenie, publikowanie i dostęp do usług sieciowych w mobilnych sieciach ad hoc. System ten stworzony został jako praktyczna weryfikacji zaproponowanych w rozprawie koncepcji i rozwiązań rozgłaszania niezawodnego.

141

nauki inżynieryjne i techniczne

informatyka

DrOIN 1594

to2014805898

Pobierz plik

publiczny

Adam Grzech

Wrocław, Polska

23.06.2014

polski

Pobierz plik

publiczny

Henryk Krawczyk

Gdańsk, Polska

2014

polski

Pobierz plik

publiczny

Paweł T. Wojciechowski

Poznań, Polska

21.06.2014

polski

Pobierz plik

publiczny

rozprawa doktorska

Poznań, Polska

10.07.2014

Rada Wydziału Informatyki Politechniki Poznańskiej

doktor nauk technicznych w dyscyplinie: informatyka, w specjalności: systemy rozproszone