Κωδικοποίηση δικτύου σε δίκτυα ανθεκτικά σε καθυστέρηση

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας υπήρξε η εφαρμογή της κωδικοποίησης δικτύου σε σχήματα δρομολόγησης σε δίκτυα ανθεκτικά σε καθυστέρηση. Η τεχνική της κωδικοποίησης δικτύου έχει αποδειχθεί ότι οδηγεί σε καλύτερη χρησιμοποίηση των πόρων του δικτύου όπως το εύρος ζώνης, η ενέργεια και η μνήμη. Δίκτυα ανθεκτικά σε καθυστέρηση είναι δίκτυα επικοινωνιών με περιορισμένους πόρους, όπως η ενέργεια και η μνήμη, και εμφανίζουν έντονη κινητικότητα και συχνές διακοπές στην επικοινωνία μεταξύ των κόμβων. Η εφαρμογή της κωδικοποίησης δικτύου που υλοποιήθηκε στα σχήματα δρομολόγησης των δικτύων αυτών αποδείχθηκε ότι οδηγεί σε μείωση του πλεονασμού των αντιγράφων ανά μήνυμα και σε αύξηση της πιθανότητας παράδοσης μηνυμάτων σε σχέση με σχήματα δρομολόγησης χωρίς κωδικοποίηση δικτύου.

Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη εισαγωγή στην τεχνική της κωδικοποίησης δικτύου και στα βασικά χαρακτηριστικά δικτύων ανθεκτικών σε καθυστέρηση. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι θεμελιώδεις αρχές και η αλγεβρική προσέγγιση της κωδικοποίησης δικτύου. Επιπλέον, γίνεται αναφορά σε τεχνικές και αλγόριθμους σχεδίασης της κωδικοποίησης δικτύου σε δίκτυα με καθυστέρηση και ασύρματα δίκτυα. Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται στα σχήματα δρομολόγησης σε δίκτυα ανθεκτικά σε καθυστέρηση. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται τα κριτήρια επίδοσης των σχημάτων δρομολόγησης και γίνεται διάκριση ανάμεσα στα σχήματα δρομολόγησης πλημμύρας και προώθησης. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο προσομοιωτής που χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση της κωδικοποίησης δικτύου σε δίκτυα ανθεκτικά σε καθυστέρηση και αναφέρονται οι αλγόριθμοι διαχείρισης μνήμης των κόμβων, κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης που σχεδιάσθηκαν για τον προσομοιωτή. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Από τη σύγκριση των σχημάτων δρομολόγησης με και χωρίς την τεχνική της κωδικοποίησης δικτύου σε δίκτυα ανθεκτικά σε καθυστέρηση προκύπτει ότι βελτιώνονται η πιθανότητα παράδοσης και ο πλεονασμός αντιγράφων ανά μήνυμα.

The aim of this thesis has been the implementation of Network Coding in the framework of Delay Tolerant Networks routing schemes. It has been found that network coding results in better use of network resources such as bandwidth, buffer and energy. Delay tolerant networks are communication networks that are usually resource constrained, with high mobility nodes which are subjected to frequent loss of connectivity. The employment of network coding in delay tolerant networks routing schemes reduces forwarding overhead while achieving a higher delivery probability compared to the same routing schemes when no network coding is used.

Chapter 1 provides a brief introduction to network coding and to the basic characteristics of delay tolerant networks. Chapter 2 deals with the fundamental of network coding and the algebraic approach to network coding. Furthermore, it presents techniques and methods with regard to the application of network coding in networks with delay and wireless networks. Chapter 3 discusses delay tolerant networks routing schemes and attempts a comparison between flooding routing schemes and forwarding schemes. Chapter 4 presents the network simulator that has been used for the implementation of network coding in delay tolerant networks and the algorithms designed for node buffers management, coding and decoding. Finally, Chapter 5 presents the simulation results and the comparison between routing schemes employing or not the network coding technique. The performance metrics which are improved using network coding were found to be the delivery probability and the message forwarding overhead.