HYBRID ROUTING IN DELAY TOLERANT NETWORKS Christoph P. Mayer Christoph P. Mayer Hybrid Routing in Delay Tolerant Networks Hybrid Routing in Delay Tolerant Networks von Christoph P. Mayer Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie, Fakultät für Informatik Tag der mündlichen Prüfung: 21. Oktober 2011 Referenten: Prof. Dr. Martina Zitterbart, Prof. Dr. Jörg Ott Impressum Karlsruher Institut für Technologie (KIT) KIT Scientific Publishing Straße am Forum 2 D-76131 Karlsruhe www.ksp.kit.edu KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Diese Veröffentlichung ist im Internet unter folgender Creative Commons-Lizenz publiziert: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/ KIT Scientific Publishing 2012 Print on Demand ISBN 978-3-86644-807-0 FÜR MEINE ELTERN HELMA UND HANS-PETER Vorwort DIE vorliegende Arbeit entstand in den letzten vier Jahren während mei- ner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Telematik des Karlsruher Institut für Technologie (KIT). An erster Stelle gilt mein Dank Frau Prof. Dr. Martina Zitterbart, die mir durch die Anstellung an ihrem Institut die Promotion ermöglichte und mich während der gesamten Zeit mit hilfrei- chen Diskussionen und Ratschlägen begleitete. Ebenso bedanken möchte ich mich bei Herrn Prof. Dr. Jörg Ott, der sich trotz zahlreicher Verpflichtungen in Forschung und Lehre sofort bereit erklärte, das Korreferat für meine Pro- motion zu übernehmen. Allen Kolleginnen und Kollegen des Instituts für Telematik möchte ich herz- lich für die letzten vier Jahre danken. Mein besonderer Dank gilt Dr. Thomas Gamer für die Betreuung meiner Studien- und Diplomarbeit und die Heran- führung an die wissenschaftliche Arbeit. Weiter danke ich Christian Hübsch für die Freundschaft und die vielen spannenden und anregenden Diskussio- nen. Allen voran möchte ich Dr. Oliver P. Waldhorst danken, der mich stets an seinem wissenschaftlichen Scharfsinn teilhaben ließ, was meine Promoti- onszeit zu der bis jetzt lehrreichsten Zeit machte. Während meiner gesamten Promotionszeit haben mich all meine Freunde un- terstützt und begleitet, insbesondere meine aktuellen und ehemaligen Mitbe- wohner. Mein besonderer Dank gilt Christoph Schmid für eine unvergleich- bare Freundschaft. Mein größter Dank gilt meiner Familie und meinen Eltern, die mir die Möglichkeit zum Studium und zur Promotion gaben und ohne die diese Arbeit nicht zustande gekommen wäre. Ihnen ist diese Arbeit ge- widmet. Schließlich gilt mein allergrößter Dank meiner Freundin, die immer für mich da war und mich immer unterstützt und ermutigt hat. Karlsruhe, im Januar 2012 iii Zusammenfassung Mobile Geräte wie Smartphones gewinnen sowohl im privaten als auch im geschäftlichen Sektor zunehmend an Bedeutung. Das von diesen Geräten er- zeugte Verkehrsaufkommen weist exponentielles Wachstum auf und führt zu einer starken Belastung der heutigen rein Infrastruktur-basierten Netze. Die große Anzahl mobiler Geräte birgt jedoch auch Möglichkeiten zum Betrieb neuartiger Infrastruktur-loser Netze, sogenannter Delay Tolerant Networks, wel- che durch opportunistische ad-hoc Kommunikation Nachrichten Ende-zu- Ende zustellen. Ziel dieser Dissertation ist die Integration von Infrastruktur- basierten und Infrastruktur-losen Netzen. Hierdurch kann zum einen Ende- zu-Ende Kommunikation ermöglicht werden, wenn Infrastruktur nur in ge- ringem Umfang vorhanden ist, wie beispielsweise in Entwicklungsländern. Zum anderen kann im Fall von umfangreich vorhandener Infrastruktur Ver- kehr in Infrastruktur-lose Netze ausgelagert und somit eine Entlastung der Infrastruktur erreicht werden. Die Mobilität von Geräten ist für die Funktion von Delay Tolerant Networks eine notwendige Voraussetzung, da diese auf dem store-carry-forward Prin- zip basieren. Hierbei werden Nachrichten über einen längeren Zeitraum auf Geräten gespeichert, durch Mobilität von Geräten physikalisch in Richtung Zielgerät transportiert und bei Kontakt mit anderen Geräten weitergereicht oder repliziert. Der erste Teil dieser Dissertation untersucht den Einfluss von durch Graphen modellierter Beschränkungen auf diese Mobilität und im Spe- ziellen auf die aus Mobilität resultierenden Kontakte zwischen Geräten. Gra- phen werden in dieser Arbeit verwendet um Straßennetze zu modellieren. Die in dieser Dissertation entwickelte Methodik kann jedoch auch zur Mo- dellierung anderer Beschränkungen der Mobilität verwendet werden. Zuerst wird der Einfluss unterschiedlicher Graphen auf die in der Literatur als wich- tig angesehene Metrik der Zwischenkontaktzeit mit Hilfe von Simulationen aufgezeigt. Hierbei werden zum einen Graphen realer Städtekarten verwen- det und zum anderen Gitter-basierte Graphen mit unterschiedlicher Gitter- dichte. Der Einfluss dieser Graphen auf die Verteilung von Zwischenkontakt- zeiten bei zufälligem sowie sozialem Mobilitätsmodell wird analysiert und durch Annäherung an Modelle numerisch charakterisiert. Hiermit wird ein numerischer Vergleich des Einflusses von Graphen auf die Zwischenkontakt- zeit etabliert. Hierauf basierend wird ein analytischer Zusammenhang von Eigenschaften des Graphen sowie deren Einfluss auf Parameter der Vertei- lung von Zwischenkontaktzeiten erarbeitet. Dieser Zusammenhang ist auf Spektraleigenschaften des Graphen sowie auf Random Walk Prozessen be- gründet. Die gewonnenen Ergebnisse unterstützen das Verständnis, die Kon- figuration sowie die Ausbringung von Delay Tolerant Networks. iv Im zweiten Teil dieser Dissertation wird ein dezentrales System entwickelt, welches das Routing über Infrastruktur-basierte und Infrastruktur-lose Netze – sogenannte hybride Netze – hinweg ermöglicht. Für beide Netztypen existie- ren heute getrennte Routingverfahren, welche nicht direkt miteinander inte- griert oder gekoppelt werden können, da sie auf unterschiedlichen Paradig- men beruhen. Beim Routing in Infrastruktur-basierten Netzen werden Ende- zu-Ende Pfade aufgebaut und gewartet. Dieser Ansatz ist für Infrastruktur- lose Netze nicht einsetzbar, da die dortigen Pfade instabil sind und meist zu keinem Zeitpunkt durchgängig Ende-zu-Ende existieren. Routing in Infra- struktur-losen Netzen basiert daher auf probabilistischen Entscheidungen die bei opportunistischen Kommunikationsmöglichkeiten autonom von Geräten getroffen werden. In dieser Dissertation wird eine Integration der beiden Pa- radigmen durch ein neues Routingsystem realisiert, welches in beiden Netz- typen das jeweils bewährte Routingverfahren betreibt und eine Verbindung der Routingverfahren durch Austausch von Information zwischen den Net- zen schafft. Hinsichtlich Infrastruktur-loser Netze kann durch eine neue Ka- tegorisierung eine Vielzahl existierender Protokolle im Bereich Delay Tolerant Networks eingesetzt werden. Im Hinblick auf Infrastruktur-basierte Netze kommen strukturierte Overlaynetze zum Einsatz, welche durch ihre flache Adressierung, Skalierbarkeit und Identifizierer-basiertes Routing eine gute Grundlage zur Integration bereitstellen. Mit dem in dieser Dissertation entwi- ckelten dezentralen System für Kommunikation über hybride Netze werden zwei beispielhafte Anwendungsfälle implementiert und simulativ evaluiert: Falls ein nur geringer Anteil Infrastruktur vorhanden ist, erbringt das hybri- de Routingsystem trotz heterogener Infrastruktur-Fähigkeiten Ende-zu-Ende Kommunikation zwischen Teilnehmern. Beispielhaft erhöht sich der Anteil erfolgreich zugestellter Nachrichten um den Faktor 3, sobald nur 20% der mo- bilen Geräte Infrastruktur-fähig sind. Falls ein hoher Anteil an Infrastruktur vorhanden ist, kann das hybride Routingsystem verwendet werden um Ver- kehr in das Infrastruktur-lose Netz auszulagern und somit die Infrastruktur zu entlasten. Bei einer akzeptierten Zustellverzögerung von maximal 5 Stun- den kann somit beispielsweise über 35% des Verkehrsaufkommens aus der Infrastruktur ausgelagert werden. Die Implementierung und Ausbringung des entwickelten hybriden Routing- systems gestaltet sich auf Grund der heute zunehmend komplexer werden- den Netze schwierig. Im dritten Teil dieser Dissertation wird eine Netzab- straktion entwickelt, welche einerseits die einfache Implementierung und Aus- bringung des hybriden Routingsystems ermöglicht und andererseits allge- meine Anwendbarkeit als Rahmenwerk zur einfachen Implementierung und Ausbringung von Diensten zur Verfügung stellt. Das mit Kollegen entwickel- te Rahmenwerk basiert auf Overlaynetzen und ermöglicht eine Abstraktion von unterliegenden Netzen. Mit Hilfe des Rahmenwerks können Dienste ein- fach entwickelt sowie skalierbar, sicher und kostengünstig betrieben werden. Contents Zusammenfassung iii List of Figures ix List of Tables xiii List of Algorithms xv List of Symbols xvii 1 Introduction 1 1.1 Problem Statement . .2 1.2 Objectives and Contributions . .3 1.3 Structure . .6 2 Background and State of the Art 9 2.1 Delay Tolerant Networks . .9 2.1.1 Mobile Ad hoc Networks . 10 2.1.2 From Mobile Ad hoc to Delay Tolerant Networks . 11 2.1.3 Applicability of MANET Protocols for DTN . 12 2.1.4 History of Delay Tolerant Networks . 13 2.1.5 Overview of DTN Approaches . 13 2.1.6 Protocols for Human-centric DTN . 16 2.2 Evaluation Methodologies for Delay Tolerant Networks . 19 2.2.1 Delay/Capacity Scaling . 19 2.2.2 DTN Performance . 22 2.3 Mobility Modeling . 24 vi Contents 2.3.1 Stochastic Background . 24 2.3.2 Properties of Human Mobility . 28 2.3.3 Mobility Models for Human Behavior . 32 2.3.4 Markov Chains and Random Walks . 33 2.4 Routing in Hybrid Networks . 34 2.4.1 Hybrid