C.2.2 Network Protocols
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Faculty / Organisational entity
Drahtlose Kommunikationssysteme dringen in immer mehr Anwendungsbereiche vor. Für einige Anwendungsszenarien, wie etwa die Prozessautomatisierung in Fabriken und Industrieanlagen, ist die Zuverlässigkeit vieler drahtloser Kommunikationssysteme wie IEEE 802.11 (WLAN) oder Bluetooth aber noch unzureichend. Daher wurden für diese Anwendungsbereiche spezielle Kommunikationssysteme wie WirelessHART oder ISA 100.11a entwickelt. Diese basieren meist auf Time Division Multiple Access (TDMA) und erreichen durch exklusive Reservierungen deterministische Zuverlässigkeit, falls kein anderes Kommunikationssystem die genutzten Kanäle stört.
Diese Arbeit behandelt geeignete Protokolle und Algorithmen, um die Zuverlässigkeit drahtloser Kommunikationssysteme zu verbessern. Im ersten Teil der Arbeit werden Verfahren für TDMA-basierte Kommunikationssysteme betrachtet. Basierend auf IEEE 802.15.4 werden mehrere Funktionalitäten für ProNet 4.0, einem an der Arbeitsgruppe Vernetzte Systeme der TU Kaiserslautern entwickelten Kommunikations-Stack für Industrie 4.0, entworfen und auf Imote 2 Sensorknoten implementiert. Zuverlässige Kommunikation bedarf Kenntnis von sowohl der Kommunikationstopologie, über die Knoten miteinander kommunizieren können, als auch der Interferenztopologie, die angibt, wie Knoten sich gegenseitig stören können. Dazu stellt die Arbeit mit dem Automatic Topology Discovery Protocol (ATDP) ein Verfahren zur automatischen Topologieerkennung vor. Anschließend wird QoS Multicast Routing betrachtet und mit dem QoS Multicast Routing Protocol (QMRP) ein Verfahren für partiell mobile Netzwerke entwickelt. Weiterhin wird mit ProMid eine Kommunikations-Middleware beschrieben, die ein hohes Abstraktionslevel aufweist und die darunter liegenden Schichten steuert. Die dienstorientierte Architektur nutzt eine verteilte Service Registry, wobei die Auswahl der Registry-Knoten anhand eines dafür entwickelten Clustering-Algorithmus erfolgt. Das Heterogeneous Network Clustering (HNC) genannte Verfahren berücksichtigt ein heterogenes Netzwerkmodell mit Knoten, die Clusterhead bzw. Gateway werden müssen, können bzw. nicht dürfen.
Der zweite Teil der Arbeit behandelt Protokolle und Algorithmen für zuverlässige wettbewerbsbasierte Kommunikationssysteme. Die in diesem Kapitel vorgestellten Verfahren sind in einem auf WLAN basierenden Kommunikations-Stack implementiert und evaluiert worden. Zunächst wird ein Verfahren für die Topologieerkennung in WLAN-Netzwerken vorgestellt. Anschließend wird ein auf dem Token Bucket-Mechanismus basierendes Verfahren zur Verkehrskontrolle entwickelt. Daraus wird mit der Unusable Wasted Bandwidth Ratio eine Metrik abgeleitet, die es erlaubt, die Auslastung des Mediums abzuschätzen. Aufbauend auf dem Verfahren zur Verkehrskontrolle wird eine kooperative faire Bandbreitenskalierung für WLAN vorgestellt. Das Verfahren verteilt die Bandbreite fair unter den internen Knoten unter Berücksichtigung der Quality of Service (QoS) Anforderungen. Dabei reagiert es dynamisch auf Änderungen des externen Verkehrs und verhindert so Überlastsituationen. Letztlich wird ein Clustering-Protokoll vorgestellt, welches durch das Anwendungsszenario der Überwachung von Güterzügen motiviert ist und Linientopologien bildet sowie dynamisch repariert. Das auf Bluetooth LE aufbauende Verfahren dient dazu, Energie einzusparen, und wurde in einer Kooperation mit der Bosch Engineering GmbH entwickelt.
In today’s computer networks we see an ongoing trend towards wireless communication technologies, such as Wireless LAN, Bluetooth, ZigBee and cellular networks. As the electromagnetic spectrum usable for wireless communication is finite and largely allocated for exclusive use by respective license holders, there are only few frequency bands left for general, i.e. unlicensed, use. Subsequently, it becomes apparent, that there will be an overload situation in the unlicensed bands, up to a point where no communication is possible anymore. On the other hand, it has been observed that licensed frequency bands often go unused, at least at some places or over time. Mitola combined both observations and found the term Cognitive Radio Networks [Mit00], denoting a solution for spectrum scarcity. In this concept, so called Secondary Users are allowed to also use licensed bands (attributed to a Primary User) as long as it is vacant.
In such networks, all obligations reside with Secondary Users, especially, they must avoid any interference with the Primary User. They must therefore reliably sense the presence of Primary Users and must decide which available spectrum to use. These two functionalities are called Spectrum Sensing and Spectrum Mobility and describe 2 out of 4 core functionalities of Cognitive Radio Networks and are considered in this thesis.
Regarding Spectrum Sensing, we present our own approach for energy detection in this thesis. Energy detection essentially works by comparing measured energy levels to a threshold. The inherent problem is on how to find such thresholds. Based on existing work we found in literature, we improve techniques and assert the effectiveness of our additions by conducting real world experiments.
Regarding Spectrum Mobility, we concentrate on the point, where the Primary User shows up. At this point, nodes must not use the current channel anymore, i.e. they also have no possibility to agree on another channel to switch to. We solve this problem by employing channel switching, i.e. we change channels proactively, following a schedule shared by all nodes of the network. The main contribution of this thesis is on how to synthesize those schedules to guarantee robust operation under changing conditions. For integration, we considered three dimensions of robustness (of time, of space and of channel) and, based on our algorithms and findings, defined a network protocol, which addresses perturbation within those dimensions. In an evaluation, we showed that the protocol is actually able to maintain robust operation, even if there are large drops in channel quality.
The provision of quality-of-service (QoS) on the network layer is a major challenge in communication networks. This applies particularly to mobile ad-hoc networks (MANETs) in the area of Ambient Intelligence (AmI), especially with the increasing use of delay and bandwidth sensitive applications. The focus of this survey lies on the classification and analysis of selected QoS routing protocols in the domain of mobile ad-hoc networks. Each protocol is briefly described and assessed, and the results are summarized in multiple tables.
Nowadays, accounting, charging and billing users' network resource consumption are commonly used for the purpose of facilitating reasonable network usage, controlling congestion, allocating cost, gaining revenue, etc. In traditional IP traffic accounting systems, IP addresses are used to identify the corresponding consumers of the network resources. However, there are some situations in which IP addresses cannot be used to identify users uniquely, for example, in multi-user systems. In these cases, network resource consumption can only be ascribed to the owners of these hosts instead of corresponding real users who have consumed the network resources. Therefore, accurate accountability in these systems is practically impossible. This is a flaw of the traditional IP address based IP traffic accounting technique. This dissertation proposes a user based IP traffic accounting model which can facilitate collecting network resource usage information on the basis of users. With user based IP traffic accounting, IP traffic can be distinguished not only by IP addresses but also by users. In this dissertation, three different schemes, which can achieve the user based IP traffic accounting mechanism, are discussed in detail. The inband scheme utilizes the IP header to convey the user information of the corresponding IP packet. The Accounting Agent residing in the measured host intercepts IP packets passing through it. Then it identifies the users of these IP packets and inserts user information into the IP packets. With this mechanism, a meter located in a key position of the network can intercept the IP packets tagged with user information, extract not only statistic information, but also IP addresses and user information from the IP packets to generate accounting records with user information. The out-of-band scheme is a contrast scheme to the in-band scheme. It also uses an Accounting Agent to intercept IP packets and identify the users of IP traffic. However, the user information is transferred through a separated channel, which is different from the corresponding IP packets' transmission. The Multi-IP scheme provides a different solution for identifying users of IP traffic. It assigns each user in a measured host a unique IP address. Through that, an IP address can be used to identify a user uniquely without ambiguity. This way, traditional IP address based accounting techniques can be applied to achieve the goal of user based IP traffic accounting. In this dissertation, a user based IP traffic accounting prototype system developed according to the out-of-band scheme is also introduced. The application of user based IP traffic accounting model in the distributed computing environment is also discussed.