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Decentralized Monitoring in Mobile Ad Hoc Networks - Provisioning of Accurate and Location-Aware Monitoring Information

Stingl, Dominik :
Decentralized Monitoring in Mobile Ad Hoc Networks - Provisioning of Accurate and Location-Aware Monitoring Information.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Decentralized Monitoring in Mobile Ad Hoc Networks - Provisioning of Accurate and Location-Aware Monitoring Information
Language: English
Abstract:

There has been an immense popularity increase of mobile communication devices, such as smartphones and tablet PCs, due to the technical progress in equipment manufacturing and communication. Paired with the constantly growing availability of wireless broadband access over cellular networks the devices enable the continuous consumption of applications. Furthermore, they foster new types of applications, such as location-based services or mobile social networks, where the user interacts with its vicinity or nearby users. Due to the increasing popularity paired with the continuous consumption of applications cellular networks can hardly handle the resulting traffic that frequently exceeds their capacity. To unburden these networks mobile ad hoc networks represent a viable alternative, complementing or superseding cellular networks. Exploiting the growing density of mobile communication devices, mobile ad hoc networks rely on the direct interconnection of devices and provide an useful substrate to exchange information and to deploy applications. In particular, the direct device interaction reflects the communication and interaction pattern of location-based services and mobile social networks, which we term as locality of interaction. Despite the fact that mobile ad hoc networks represent a viable communication substrate, they are exhibiting highly dynamic characteristics, which are mainly attributable to the autonomous behavior of users. To handle the dynamic nature mobile ad hoc networks must be adapted to the current state of the network and the influencing conditions of the surrounding environment. In this regard, monitoring constitutes an inevitable aspect of mobile ad hoc networks. It collects information from the users and provides essential insights into the current network state, serving as basis to adapt the network. As mobile ad hoc networks are exclusively established by users without a central entity the users themselves must monitor the network and exploit the obtained monitoring information to adapt the network. Consequently, the issues arise that the users are in charge to measure and collect the monitoring information as well as to distribute the obtained insights among them. In addition to the information about the network state a user requires detailed information about its vicinity. The reason for the provisioning of location-dependent information results from the locality of interaction in mobile ad hoc networks: as a user can only interact with its neighborhood it particularly requires detailed monitoring information about its vicinity. In the context of monitoring we refer to this property as location-aware monitoring. To address the presented issues decentralized monitoring mechanisms have been introduced and developed. The participating users accomplish the mentioned tasks of monitoring and provide the required monitoring information. However, existing approaches for decentralized monitoring in mobile ad hoc networks exhibit certain shortcomings or make some limiting assumptions. Examples comprise (i) the need for a decentralized infrastructure with dedicated devices that monitor the network or (ii) the expectation of an additional external entity (e.g., a network operator, which further processes the monitoring information). The examples reveal that existing approaches do not comply with the addressed issues and are not suited for the deployment in the envisaged scenarios. Consequently, the major objective of this thesis is the design of decentralized monitoring approaches that tackle these issues and are applicable in the corresponding scenarios. BlockTree.KOM represents our first solution for decentralized monitoring in mobile ad hoc networks. It proposes a set of four fundamental concepts that specify its underlying structure and the exchange of information over that structure. In detail, BlockTree.KOM relies on a hierarchical topology and on its own tailored communication methods to monitor the communication network. With P-BlockTree.KOM and C-BlockTree.KOM we present two different approaches of BlockTree.KOM that comply with the presented concepts but implement them in different ways. Based on an extensive evaluation, the obtained results reveal that both approaches provide accurate monitoring information despite the dynamic nature of mobile ad hoc networks. Exploiting the hierarchical topology, specifically P-BlockTree.KOM is able to provide location-aware monitoring information: every user obtains an accurate view of its vicinity as well as summarized insights on distant regions. Mobi-G.KOM constitutes our second solution for decentralized monitoring in mobile ad hoc networks. Its design fundamentally differs from BlockTree.KOM, since it operates on a flat topology and abstains from the establishment of a hierarchy. To implement the communication between users over the flat topology Mobi-G.KOM exploits the robust communication pattern of gossiping. With the flat design of Mobi-G.KOM we sacrifice the provisioning of location-aware monitoring information. The obtained results reveal that the view of a user on nearby or distant regions does not differ and leads to inaccurate information about a user’s vicinity. However, the experiments unveil the advantages of the flat design paired with the robust communication pattern of gossiping. Mobi-G.KOM is highly robust and operates in highly dynamic environments. Furthermore, the provisioning of accurate monitoring information comes at considerably lower cost: Mobi-G.KOM neither produces traffic to maintain a hierarchical topology nor transmits data at multiple levels of the topology.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Mobile Kommunikationsgeräte, wie Smartphones oder Tablets, haben in den vergangenen Jahren stark an Popularität gewonnen. Dies ist zum einen dem technologischen Fortschritt der Geräte und zum anderen der wachsenden Verfügbarkeit mobiler Breitbandzugänge über zelluläre Infrastrukturen zuzurechnen. Dank dieser Tatsachen können die Nutzer von überall auf ihre Daten zugreifen. Zusätzlich ermöglichen die mobilen Kommunikationsgeräte die Verwendung standortbezogener Dienste oder mobiler sozialer Applikationen, die sich primär durch eine verstärkte Interaktion mit der unmittelbaren Umgebung und den dazugehörigen Inhalten auszeichnen. Durch die steigende Anzahl mobiler Kommunikationsgeräte sowie deren intensiver Nutzung werden jedoch die zugrundeliegenden zellulären Infrastrukturen häufig über ihre Leistungsgrenzen hinweg belastet. In diesem Zusammenhang bieten sich mobile Ad-Hoc-Netze als ideale Ergänzung oder Alternative an, um zelluläre Infrastrukturen von der resultierenden Datenflut zu entlasten. Mobile Ad-Hoc-Netze basieren auf der direkten Vernetzung der mobilen Kommunikationsgeräte und bieten gerade in dicht besiedelten Gebieten eine funktionsfähige Grundlage zum Informationsaustausch. Die direkte Interaktion zwischen den Kommunikationsgeräten reflektiert insbesondere die Interaktionsmuster standortbezogener Dienste und mobiler sozialer Applikationen, welche wir als lokale Interaktion bezeichnen. Obwohl mobile Ad-Hoc-Netze eine sinnvolle Kommunikationsgrundlage darstellen, haben sie mit einer hohen Dynamik zu kämpfen, die maßgeblich aus der Vernetzung mobiler Kommunikationsgeräte autonomer Nutzer resultiert. Um der hohen Dynamik Herr zu werden, müssen sich mobile Ad-Hoc-Netze dem sich stetig ändernden Netzzustand und den Einflüssen aus der Umgebung anpassen. In diesem Zusammenhang stellt Monitoring eine Kernkomponente mobiler Ad-Hoc-Netze dar, das auf Basis gesammelter Informationen Einblicke in den aktuellen Zustand des Netzes ermöglicht und als Grundlage für mögliche Adaptionen dient. Aufgrund der Tatsache, dass mobile Ad-Hoc-Netze ausschließlich durch autonome Nutzer administriert werden, muss die Aufgabe des Monitorings ebenfalls durch die Nutzer erbracht werden. Man spricht in diesem Fall auch von dezentralem Monitoring. Im Rahmen des dezentralen Monitorings müssen die Nutzer selbst wichtige Daten über den Zustand des Netzes messen, sammeln und anschließend als Informationsgrundlage im Netz zur Verfügung stellen. Neben der Erfassung des Zustands des Kommunikationsnetzes ist es ebenso wichtig, dass ein Nutzer detaillierte Informationen über seine direkte Umgebung bekommt. Der Grund dafür resultiert aus der vorher erwähnten lokalen Interaktion, da ein Nutzer in jedem Fall auf seine direkte Nachbarschaft angewiesen ist, um zu kommunizieren und zu interagieren. Im Falle von Monitoring bezeichnen wir diese Eigenschaft auch als standortbezogenes Monitoring. Es existieren mehrere Ansätze für dezentrales Monitoring, welche die oben beschriebenen Anforderungen und Aufgaben umsetzen. Jedoch weisen diese gewisse Einschränkungen auf oder treffen nicht umsetzbare Annahmen: Beispielsweise gibt es Ansätze, die eine dezentrale Monitoring-Architektur mit dedizierten Geräten zum Messen des Netzwerkzustands voraussetzen oder eine dritte Partei in Form eines Netzwerkadministrators zur Datenauswertung vorsehen. Anhand dieser Beispiele wird deutlich, dass diese Ansätze die beschriebenen Anforderungen und Aufgaben nicht oder nur teilweise umsetzen und daher in den von uns betrachteten Szenarien nicht einsetzbar sind. Dementsprechend fokussiert diese Arbeit auf die Entwicklung passender Ansätze für dezentrales Monitoring in mobilen Ad-Hoc-Netzen, die den erwähnten Anforderungen und betrachteten Szenarien genügen. Mit BlockTree.KOM präsentieren wir unseren ersten Lösungsvorschlag für dezentrales Monitoring in mobilen Ad-Hoc-Netzen. BlockTree.KOM basiert auf vier grundlegenden Konzepten, welche die zugrundeliegende Struktur sowie den darüber erfolgenden Informationsaustausch beschreiben. Bei der Struktur von BlockTree.KOM handelt es sich um eine hierarchische Topologie, während für den Informationsaustausch eigene, maßgeschneiderte Kommunikationsverfahren umgesetzt werden. P-BlockTree.KOM und C-BlockTree.KOM stellen zwei konkrete Realisierungen der Konzepte von BlockTree.KOM dar, die sich aber in ihrer Umsetzung voneinander unterscheiden. Die ausführliche Evaluation zeigt, dass beide Ansätze akkurate Informationen über den Zustand des Kommunikationsnetzes trotz der vorherrschenden Dynamik liefern. Dank der zugrundeliegenden hierarchischen Topologie ermöglicht vor allem P-BlockTree.KOM standortbezogenes Monitoring und liefert einen granularen Überblick über den aktuellen Zustand der unmittelbaren Nachbarschaft eines Nutzers, während aggregierte Informationen über den aktuellen Netzzustand entfernter Regionen vorliegen. Mobi-G.KOM beschreibt unseren zweiten Ansatz für dezentrales Monitoring in mobilen Ad-Hoc-Netzen, welcher sich jedoch grundlegend von BlockTree.KOM unterscheidet, da er beispielsweise eine flache anstelle einer hierarchischen Topologie verwendet. Zum Informationsaustausch zwischen den Nutzern greift Mobi-G.KOM auf Gossiping zurück, welches ein Konzept für robuste Kommunikation darstellt. Aufgrund der flachen Topologie ist es Mobi-G.KOM nicht möglich standortbezogenes Monitoring zu realisieren und granulare Ergebnisse über die nähere Umgebung eines Nutzers zu liefern. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass es keinen Unterschied zwischen den zur Verfügung stehenden Informationen über die nähere Umgebung sowie entfernte Regionen gibt, wodurch vor allem der ermittelte Zustand der näheren Umgebung von dem tatsächlichen abweicht. Auf der anderen Seite unterstreichen die durchgeführten Experimente die Vorteile der flachen Topologie in Kombination mit dem robusten Informationsaustauschs durch Gossiping. Mobi-G.KOM stellt einen äußerst robusten Ansatz dar, der in hochdynamischen Szenarien akkurate Ergebnisse liefert. Zusätzlich ist der resultierende Aufwand zur Erfassung des Zustands mobiler Ad-Hoc-Netze deutlicher geringer, da die Aufrechterhaltung einer flachen Topologie keinen Aufwand verursacht und die Daten nur über ein Level der flachen Hierarchie übertragen werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics > t Multimedia Communications
Date Deposited: 05 May 2015 11:38
Last Modified: 05 May 2015 11:38
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-44842
Referees: Steinmetz, Prof. Ralf and Zink, Prof. Michael
Refereed: 16 December 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4484
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