Opportunistic Contact Graph Routing

L'ambiente di questa tesi è quello del Delay and Disruption Tolerant Networks (DTN), un'architettura di rete di telecomunicazioni avente come obiettivo le comunicazioni tra nodi di reti dette “challenged”, le quali devono affrontare problemi come tempi di propagazione elevati, alto tasso di errore e periodi di perdita delle connessioni. Il Bunde layer, un nuovo livello inserito tra trasporto e applicazione nell’architettura ISO/OSI, ed il protocollo ad esso associato, il Bundle Protocol (BP), sono stati progettati per rendere possibili le comunicazioni in queste reti. A volte fra la ricezione e l’invio può trascorrere un lungo periodo di tempo, a causa della indisponibilità del collegamento successivo; in questo periodo il bundle resta memorizzato in un database locale. Esistono varie implementazioni dell'architettura DTN come DTN2, implementazione di riferimento, e ION (Interplanetary Overlay Network), sviluppata da NASA JPL, per utilizzo in applicazioni spaziali; in esse i contatti tra i nodi sono deterministici, a differenza delle reti terrestri nelle quali i contatti sono generalmente opportunistici (non noti a priori). Per questo motivo all’interno di ION è presente un algoritmo di routing, detto CGR (Contact Graph Routing), progettato per operare in ambienti con connettività deterministica. È in fase di ricerca un algoritmo che opera in ambienti non deterministici, OCGR (Opportunistic Contact Graph Routing), che estende CGR. L’obiettivo di questa tesi è quello di fornire una descrizione dettagliata del funzionamento di OCGR, partendo necessariamente da CGR sul quale è basato, eseguire dei test preliminari, richiesti da NASA JPL, ed analizzarne i risultati per verificare la possibilità di utilizzo e miglioramento dell’algoritmo. Sarà inoltre descritto l’ambiente DTN e i principali algoritmi di routing per ambienti opportunistici. Nella parte conclusiva sarà presentato il simulatore DTN “The ONE” e l’integrazione di CGR e OCGR al suo interno.

DTN discovery and routing: from space applications to terrestrial networks.

L'argomento di questa tesi è l'architettura di rete Delay-/Disruption-Tolerant Networking (DTN), progettata per operare nelle reti “challenged”, dove la suite di protocolli TCP/IP risulta inefficace a causa di lunghi ritardi di propagazione del segnale, interruzioni e disturbi di canale, ecc. Esempi di reti “challenged” variano dalle reti interplanetarie alle Mobile Ad-Hoc Networks (MANETs). Le principali implementazioni dell'architettura DTN sono DTN2, implementazione di riferimento, e ION, sviluppata da NASA JPL per applicazioni spaziali. Una grande differenza tra reti spaziali e terrestri è che nello spazio i movimenti dei nodi sono deterministici, mentre non lo sono per i nodi mobili terrestri, i quali generalmente non conoscono la topologia della rete. Questo ha portato allo sviluppo di diversi algoritmi di routing: deterministici per le reti spaziali e opportunistici per quelle terrestri. NASA JPL ha recentemente deciso di estendere l'ambito di applicazione di ION per supportare anche scenari non deterministici. Durante la tesi, svolta presso NASA JPL, mi sono occupato di argomenti diversi, tutti finalizzati a questo obiettivo. Inizialmente ho testato la nuova implementazione dell'algoritmo IP Neighbor Discovery (IPND) di ION, corretti i bug e prodotta la documentazione ufficiale. Quindi ho contribuito ad integrare il Contact Graph Routing (CGR) di ION nel simulatore DTN “ONE” utilizzando la Java Native Interface (JNI) come ponte tra il codice Java di ONE e il codice C di ION. In particolare ho adattato tutte le librerie di ION necessarie per far funzionare CGR all'interno dell'ambiente di ONE. Infine, dopo aver analizzato un dataset di tracce reali di nodi mobili, ho contribuito a progettare e a sviluppare OCGR, estensione opportunistica del CGR, quindi ne ho curato l'integrazione in ONE. I risultati preliminari sembrano confermare la validità di OCGR che, una volta messo a punto, può diventare un valido concorrente ai più rinomati algoritmi opportunistici.

Mac protocols for linear wireless (sensor) networks

Wireless sensor networks (WSNs) consist of a large number of sensor nodes, characterized by low power constraint, limited transmission range and limited computational capabilities [1][2].The cost of these devices is constantly decreasing, making it possible to use a large number of sensor devices in a wide array of commercial, environmental, military, and healthcare fields. Some of these applications involve placing the sensors evenly spaced on a straight line for example in roads, bridges, tunnels, water catchments and water pipelines, city drainages, oil and gas pipelines etc., making a special class of these networks which we define as a Linear Wireless Network (LWN). In LWNs, data transmission happens hop by hop from the source to the destination, through a route composed of multiple relays. The peculiarity of the topology of LWNs, motivates the design of specialized protocols, taking advantage of the linearity of such networks, in order to increase reliability, communication efficiency, energy savings, network lifetime and to minimize the end-to-end delay [3]. In this thesis a novel contention based Medium Access Control (MAC) protocol called L-CSMA, specifically devised for LWNs is presented. The basic idea of L-CSMA is to assign different priorities to nodes based on their position along the line. The priority is assigned in terms of sensing duration, whereby nodes closer to the destination are assigned shorter sensing time compared to the rest of the nodes and hence higher priority. This mechanism speeds up the transmission of packets which are already in the path, making transmission flow more efficient. Using NS-3 simulator, the performance of L-CSMA in terms of packets success rate, that is, the percentage of packets that reach destination, and throughput are compared with that of IEEE 802.15.4 MAC protocol, de-facto standard for wireless sensor networks. In general, L-CSMA outperforms the IEEE 802.15.4 MAC protocol.

Estensione dell'Abstraction Layer di DTNperf alle API di IBR-DTN

Sono dette “challenged networks” quelle reti in cui lunghi ritardi, frequenti partizionamenti e interruzioni, elevati tassi di errore e di perdita non consentono l’impiego dei classici protocolli di comunicazione di Internet, in particolare il TCP/IP. Il Delay-/Disruption-Tolerant Networking (DTN) è una soluzione per il trasferimento di dati attraverso queste reti. L’architettura DTN prevede l’introduzione, sopra il livello di trasporto, del cosiddetto “bundle layer”, che si occupa di veicolare messaggi, o bundle, secondo l’approccio store-and-forward: ogni nodo DTN conserva persistentemente un bundle finché non si presenta l’opportunità di inoltrarlo al nodo successivo verso la destinazione. Il protocollo impiegato nel bundle layer è il Bundle Protocol, le cui principali implementazioni sono tre: DTN2, l’implementazione di riferimento; ION, sviluppata da NASA-JPL e più orientata alle comunicazioni spaziali; IBR-DTN, rivolta soprattutto a dispositivi embedded. Ciascuna di esse offre API che consentono la scrittura di applicazioni in grado di inviare e ricevere bundle. DTNperf è uno strumento progettato per la valutazione delle prestazioni in ambito DTN. La più recente iterazione, DTNperf_3, è compatibile sia con DTN2 che con ION nella stessa versione del programma, grazie all’introduzione di un “Abstraction Layer” che fornisce un’unica interfaccia per l’interazione con le diverse implementazioni del Bundle Protocol e che solo internamente si occupa di invocare le API specifiche dell’implementazione attiva. Obiettivo della tesi è estendere l’Abstraction Layer affinché supporti anche IBR-DTN, cosicché DTNperf_3 possa essere impiegato indifferentemente su DTN2, ION e IBR DTN. Il lavoro sarà ripartito su tre fasi: nella prima esploreremo IBR DTN e le sue API; nella seconda procederemo all’effettiva estensione dell’Abstraction Layer; nella terza verificheremo il funzionamento di DTNperf a seguito delle modifiche, sia in ambiente esclusivamente IBR-DTN, sia ibrido.

Neural Network Based UAV Fault Tolerant Control with Aerodynamic Disturbance Estimation and Compensation

In this thesis, the problem of controlling a quadrotor UAV is considered. It is done by presenting an original control system, designed as a combination of Neural Networks and Disturbance Observer, using a composite learning approach for a system of the second order, which is a novel methodology in literature. After a brief introduction about the quadrotors, the concepts needed to understand the controller are presented, such as the main notions of advanced control, the basic structure and design of a Neural Network, the modeling of a quadrotor and its dynamics. The full simulator, developed on the MATLAB Simulink environment, used throughout the whole thesis, is also shown. For the guidance and control purposes, a Sliding Mode Controller, used as a reference, it is firstly introduced, and its theory and implementation on the simulator are illustrated. Finally the original controller is introduced, through its novel formulation, and implementation on the model. The effectiveness and robustness of the two controllers are then proven by extensive simulations in all different conditions of external disturbance and faults.

Unibo-BP: an innovative free software implementation of Bundle Protocol Version 7 (RFC 9171)

The BP (Bundle Protocol) version 7 has been recently standardized by IETF in RFC 9171, but it is the whole DTN (Delay-/Disruption-Tolerant Networking) architecture, of which BP is the core, that is gaining a renewed interest, thanks to its planned adoption in future space missions. This is obviously positive, but at the same time it seems to make space agencies more interested in deployment than in research, with new BP implementations that may challenge the central role played until now by the historical BP reference implementations, such as ION and DTNME. To make Unibo research on DTN independent of space agency decisions, the development of an internal BP implementation was in order. This is the goal of this thesis, which deals with the design and implementation of Unibo-BP: a novel, research-driven BP implementation, to be released as Free Software. Unibo-BP is fully compliant with RFC 9171, as demonstrated by a series of interoperability tests with ION and DTNME, and presents a few innovations, such as the ability to manage remote DTN nodes by means of the BP itself. Unibo-BP is compatible with pre-existing Unibo implementations of CGR (Contact Graph Routing) and LTP (Licklider Transmission Protocol) thanks to interfaces designed during the thesis. The thesis project also includes an implementation of TCPCLv3 (TCP Convergence Layer version 3, RFC 7242), which can be used as an alternative to LTPCL to connect with proximate nodes, especially in terrestrial networks. Summarizing, Unibo-BP is at the heart of a larger project, Unibo-DTN, which aims to implement the main components of a complete DTN stack (BP, TCPCL, LTP, CGR). Moreover, Unibo-BP is compatible with all DTNsuite applications, thanks to an extension of the Unified API library on which DTNsuite applications are based. The hope is that Unibo-BP and all the ancillary programs developed during this thesis will contribute to the growth of DTN popularity in academia and among space agencies.