Contribution to the improvement of communication services in nanosatellite constellations using delay and disruption tolerant networking based architectures

Esta tesis se desarrolla dentro del marco de las comunicaciones satelitales en el innovador campo de los pequeños satélites también llamados nanosatélites o cubesats, llamados así por su forma cubica. Estos nanosatélites se caracterizan por su bajo costo debido a que usan componentes comerciales llamados COTS (commercial off-the-shelf) y su pequeño tamaño como los Cubesats 1U (10cm*10 cm*10 cm) con masa aproximada a 1 kg. Este trabajo de tesis tiene como base una iniciativa propuesta por el autor de la tesis para poner en órbita el primer satélite peruano en mi país llamado chasqui I, actualmente puesto en órbita desde la Estación Espacial Internacional. La experiencia de este trabajo de investigación me llevo a proponer una constelación de pequeños satélites llamada Waposat para dar servicio de monitoreo de sensores de calidad de agua a nivel global, escenario que es usado en esta tesis. Es ente entorno y dadas las características limitadas de los pequeños satélites, tanto en potencia como en velocidad de datos, es que propongo investigar una nueva arquitectura de comunicaciones que permita resolver en forma óptima la problemática planteada por los nanosatélites en órbita LEO debido a su carácter disruptivo en sus comunicaciones poniendo énfasis en las capas de enlace y aplicación. Esta tesis presenta y evalúa una nueva arquitectura de comunicaciones para proveer servicio a una red de sensores terrestres usando una solución basada en DTN (Delay/Disruption Tolerant Networking) para comunicaciones espaciales. Adicionalmente, propongo un nuevo protocolo de acceso múltiple que usa una extensión del protocolo ALOHA no ranurado, el cual toma en cuenta la prioridad del trafico del Gateway (ALOHAGP) con un mecanismo de contienda adaptativo. Utiliza la realimentación del satélite para implementar el control de la congestión y adapta dinámicamente el rendimiento efectivo del canal de una manera óptima. Asumimos un modelo de población de sensores finito y una condición de tráfico saturado en el que cada sensor tiene siempre tramas que transmitir. El desempeño de la red se evaluó en términos de rendimiento efectivo, retardo y la equidad del sistema. Además, se ha definido una capa de convergencia DTN (ALOHAGP-CL) como un subconjunto del estándar TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergency Layer). Esta tesis muestra que ALOHAGP/CL soporta adecuadamente el escenario DTN propuesto, sobre todo cuando se utiliza la fragmentación reactiva. Finalmente, esta tesis investiga una transferencia óptima de mensajes DTN (Bundles) utilizando estrategias de fragmentación proactivas para dar servicio a una red de sensores terrestres utilizando un enlace de comunicaciones satelitales que utiliza el mecanismo de acceso múltiple con prioridad en el tráfico de enlace descendente (ALOHAGP). El rendimiento efectivo ha sido optimizado mediante la adaptación de los parámetros del protocolo como una función del número actual de los sensores activos recibidos desde el satélite. También, actualmente no existe un método para advertir o negociar el tamaño máximo de un “bundle” que puede ser aceptado por un agente DTN “bundle” en las comunicaciones por satélite tanto para el almacenamiento y la entrega, por lo que los “bundles” que son demasiado grandes son eliminados o demasiado pequeños son ineficientes. He caracterizado este tipo de escenario obteniendo una distribución de probabilidad de la llegada de tramas al nanosatélite así como una distribución de probabilidad del tiempo de visibilidad del nanosatélite, los cuales proveen una fragmentación proactiva óptima de los DTN “bundles”. He encontrado que el rendimiento efectivo (goodput) de la fragmentación proactiva alcanza un valor ligeramente inferior al de la fragmentación reactiva. Esta contribución permite utilizar la fragmentación activa de forma óptima con todas sus ventajas tales como permitir implantar el modelo de seguridad de DTN y la simplicidad al implementarlo en equipos con muchas limitaciones de CPU y memoria. La implementación de estas contribuciones se han contemplado inicialmente como parte de la carga útil del nanosatélite QBito, que forma parte de la constelación de 50 nanosatélites que se está llevando a cabo dentro del proyecto QB50. ABSTRACT This thesis is developed within the framework of satellite communications in the innovative field of small satellites also known as nanosatellites (<10 kg) or CubeSats, so called from their cubic form. These nanosatellites are characterized by their low cost because they use commercial components called COTS (commercial off-the-shelf), and their small size and mass, such as 1U Cubesats (10cm * 10cm * 10cm) with approximately 1 kg mass. This thesis is based on a proposal made by the author of the thesis to put into orbit the first Peruvian satellite in his country called Chasqui I, which was successfully launched into orbit from the International Space Station in 2014. The experience of this research work led me to propose a constellation of small satellites named Waposat to provide water quality monitoring sensors worldwide, scenario that is used in this thesis. In this scenario and given the limited features of nanosatellites, both power and data rate, I propose to investigate a new communications architecture that allows solving in an optimal manner the problems of nanosatellites in orbit LEO due to the disruptive nature of their communications by putting emphasis on the link and application layers. This thesis presents and evaluates a new communications architecture to provide services to terrestrial sensor networks using a space Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN) based solution. In addition, I propose a new multiple access mechanism protocol based on extended unslotted ALOHA that takes into account the priority of gateway traffic, which we call ALOHA multiple access with gateway priority (ALOHAGP) with an adaptive contention mechanism. It uses satellite feedback to implement the congestion control, and to dynamically adapt the channel effective throughput in an optimal way. We assume a finite sensor population model and a saturated traffic condition where every sensor always has frames to transmit. The performance was evaluated in terms of effective throughput, delay and system fairness. In addition, a DTN convergence layer (ALOHAGP-CL) has been defined as a subset of the standard TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergence Layer). This thesis reveals that ALOHAGP/CL adequately supports the proposed DTN scenario, mainly when reactive fragmentation is used. Finally, this thesis investigates an optimal DTN message (bundles) transfer using proactive fragmentation strategies to give service to a ground sensor network using a nanosatellite communications link which uses a multi-access mechanism with priority in downlink traffic (ALOHAGP). The effective throughput has been optimized by adapting the protocol parameters as a function of the current number of active sensors received from satellite. Also, there is currently no method for advertising or negotiating the maximum size of a bundle which can be accepted by a bundle agent in satellite communications for storage and delivery, so that bundles which are too large can be dropped or which are too small are inefficient. We have characterized this kind of scenario obtaining a probability distribution for frame arrivals to nanosatellite and visibility time distribution that provide an optimal proactive fragmentation of DTN bundles. We have found that the proactive effective throughput (goodput) reaches a value slightly lower than reactive fragmentation approach. This contribution allows to use the proactive fragmentation optimally with all its advantages such as the incorporation of the security model of DTN and simplicity in protocol implementation for computers with many CPU and memory limitations. The implementation of these contributions was initially contemplated as part of the payload of the nanosatellite QBito, which is part of the constellation of 50 nanosatellites envisaged under the QB50 project.

Optimizing communication by compression for Multi-GPU Scalable Breadth-First Searches

Debido al creciente aumento del tamaño de los datos en muchos de los actuales sistemas de información, muchos de los algoritmos de recorrido de estas estructuras pierden rendimento para realizar búsquedas en estos. Debido a que la representacion de estos datos en muchos casos se realiza mediante estructuras nodo-vertice (Grafos), en el año 2009 se creó el reto Graph500. Con anterioridad, otros retos como Top500 servían para medir el rendimiento en base a la capacidad de cálculo de los sistemas, mediante tests LINPACK. En caso de Graph500 la medicion se realiza mediante la ejecución de un algoritmo de recorrido en anchura de grafos (BFS en inglés) aplicada a Grafos. El algoritmo BFS es uno de los pilares de otros muchos algoritmos utilizados en grafos como SSSP, shortest path o Betweeness centrality. Una mejora en este ayudaría a la mejora de los otros que lo utilizan. Analisis del Problema El algoritmos BFS utilizado en los sistemas de computación de alto rendimiento (HPC en ingles) es usualmente una version para sistemas distribuidos del algoritmo secuencial original. En esta versión distribuida se inicia la ejecución realizando un particionado del grafo y posteriormente cada uno de los procesadores distribuidos computará una parte y distribuirá sus resultados a los demás sistemas. Debido a que la diferencia de velocidad entre el procesamiento en cada uno de estos nodos y la transfencia de datos por la red de interconexión es muy alta (estando en desventaja la red de interconexion) han sido bastantes las aproximaciones tomadas para reducir la perdida de rendimiento al realizar transferencias. Respecto al particionado inicial del grafo, el enfoque tradicional (llamado 1D-partitioned graph en ingles) consiste en asignar a cada nodo unos vertices fijos que él procesará. Para disminuir el tráfico de datos se propuso otro particionado (2D) en el cual la distribución se haciá en base a las aristas del grafo, en vez de a los vertices. Este particionado reducía el trafico en la red en una proporcion O(NxM) a O(log(N)). Si bien han habido otros enfoques para reducir la transferecnia como: reordemaniento inicial de los vertices para añadir localidad en los nodos, o particionados dinámicos, el enfoque que se va a proponer en este trabajo va a consistir en aplicar técnicas recientes de compression de grandes sistemas de datos como Bases de datos de alto volume o motores de búsqueda en internet para comprimir los datos de las transferencias entre nodos.---ABSTRACT---The Breadth First Search (BFS) algorithm is the foundation and building block of many higher graph-based operations such as spanning trees, shortest paths and betweenness centrality. The importance of this algorithm increases each day due to it is a key requirement for many data structures which are becoming popular nowadays. These data structures turn out to be internally graph structures. When the BFS algorithm is parallelized and the data is distributed into several processors, some research shows a performance limitation introduced by the interconnection network [31]. Hence, improvements on the area of communications may benefit the global performance in this key algorithm. In this work it is presented an alternative compression mechanism. It differs with current existing methods in that it is aware of characteristics of the data which may benefit the compression. Apart from this, we will perform a other test to see how this algorithm (in a dis- tributed scenario) benefits from traditional instruction-based optimizations. Last, we will review the current supercomputing techniques and the related work being done in the area.