NetworkAbstractions for WirelessNetwork Applications

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1 Doctoral Thesis ETH No NetworkAbstractions for WirelessNetwork Applications A dissertation submitted to the Swiss Federal Institute of Technology Zürich (ETH ZÜRICH) for the degree of Doctor of Technical Sciences presented by Cristian Tuduce Engineer, TU Cluj-Napoca born December 24, 1974 Citizen of Romania accepted on the recommendation of Prof. Dr. Thomas Gross, examiner Prof. Dr. Peter Steenkiste, co-examiner 2007

2 Abstract Many networked applications include provisions to adapt their behavior or functionality to best use the available Computing and networking resources. These applications use one or more environment parameters to perform adaptation. Adaptive Systems are already recognized as important in the world of (managed) local and wide area networks. Because of the broader ränge of environmentfactors encounteredin mobile wireless networks, even more adaptation is expected from applications as they enterthe wireless ad hoc world. For the development of adaptive applications there are two fundamental problems that must be addressed: first, an application must obtain information about its environment, and second, the application must rcact to these changes. In this dissertation we focus on the first problem, since it must be addressed before any adaptation is possible. In particular, we look at the challenges posed by wireless networks on resource information gathering and at the way these challenges can be addressed. In wireless networks, the shared communication medium is prone to interference. Seemingly unrelated nodes may influence the communication between other nodes. Knowledge about the possible interference sources helps applications to better adapt to the networking environment. In this dissertation we claim that including the neighborhood to the application's environmentview adds value to the adaptation capabilitics of the application. The main coniribution of this dissertation is the design of two network abstractionsthat capture the properties of wireless networks, and yet are general enough to apply to the unconstrained topologics that can be realized by such networks. The two network abstractions are the neighborhoodand the swath. The neighborhood abslraction allows an application to capture the environmentaround a node. Using the swath abstraction, the applicationgets the view of the environment neighboring a path. Because scemingly unrelated nodes can have a negative influence on an application, we allow the applications to speeify how much of the environment should be captured in the view. The size of the environmentview can be tuned using the neighborhoodradius or the swath width. Adaptiveapplications can use the network abstractions by means of a resource monitoring system. We explore the Solution space for resource monitoring Systems for wireless ad hoc networksby looking at the challenges these Systems are faced with: frequent topology changes, less than obviousinteraction between nodes, frequent changes in the information of interest to the applications, network helerogeneity,and the lack of centralizedcontrol and administration. We present the design and implementation of a resource monitoringsystem that copes with the challenges posed by ad hoc networks. We evaluate the resource monitoring system on a wireless network testbed of 96 nodes. The evaluation shows that the monitoringsystem is agile. It captures environmentchanges in ms, while consuming a small amount of Computing resources ( % CPU load

3 111 and a memory footprint of 24KB). For the evaluation experiments that requirenode mobility, we propose a framework to generate mobility modeis from real mobility traces. We describe a mobility model basedon mobility traces recorded in a WLAN environment. We present examples of how the network abstractionscan be used by adaptive applications. We present a load-balancing protocol for wireless mesh networks, a collaborative application, and a discussion of possible improvements to existing routing protocols using the swath abstraction. The load-balancing protocol is an cxample of how the swath abstraction can be used to balance the load between two gatewaysbased on network information. To gather the network load information we describe an available bandwidth sensor. The Implementation of the bandwidth sensor shows the importance of including the neighborhood of the path in the bandwidth computations. The collaborativeapplication is a self-organizingapplication. It provides a usage example for the neighborhood abstraction. Moreover, with the collaborative application we show how the neighborhood abstraction and the monitoring system can be used to perform more elaborate tasks: Service discovery and cross-layer interaction. The discussion about using the swath abstractionin existing routing protocols provides suggestions for qualitative improvements of routing protocols. The information-rich swath view opens new optimization opportunities to existing protocols. The results presented in this thesis show that the neighborhood and swath abstractions are both practical and useful: they can be supported efficiently by a monitoring system and they provide applications easy access to the network information they need to adapt to the dynamic conditions in wireless networks.

4 Zusammenfassung Viele Netzwerkanwendungen enthalten Vorkehrungenum das Verhalten oderdie Funktionalität, möglichst gut auf die vorhandenen Rechen- und Netzwerkressourcenabzustimmen. DieseAn wendungen verwenden dabei einen oder mehrere Umgebungsparameter um diese Anpassung durchzuführen. Die Wichtigkeit solcher anpassungsfähigensysteme im Bereich von (verwal teten) Lokalnetzenund Fernnetzenist akzeptiert. Sobald Applikationen drahtlosbetrieben wer den wird von ihnen eine grössere Anpassungsfähigkeit verlangt, da auch die Umgebungse inflüsse in drahtlosen Netzwerken grösser sind. Bei der Entwicklung von anpassungsfähigen Applikationen müssen zwei fundamentale Probleme beachtet werden: Erstens, die Anwendung muss Informationen über ihre Umge bung erlangen und zweitens muss die Anwendung auf diese Informationenreagieren. In dieser Dissertation richten wir uns auf das erste Problem, da es gelöst werden muss, bevor jedwelche Anpassung überhauptmöglich ist. Im Speziellen beachten wir die Schwierigkeiten bei der Beschaffung von Ressourcen-Informationenin drahtlosen Netwerken und wie diese Schwierigkeiten gelöstwerden können. In drahtlosen Netzwerken ist das geteilte Kommunikations Medium zur Störungen vornübergeneigt. Scheinbarohne Bezugknoten können die Kommunikationzwischen anderen Knoten beeinflussen. Wissen über die möglichen Störung Quellen hilft Anwendungen, um der Netzumgebungbesser sich anzupassen. In dieser Dissertation behaupten wir, dass Infor mationen über die Nachbarschaftvon zusätzlichem Nutzen für die Anpassungsfähigkeit der Anwendung ist. Der wichtigste Beitrag dieser Dissertation ist das Design von zwei Netzw erksabstraktionen welche die Eigenschaften von drahtlosen Netzwerken erfassen und dennoch generellgenug bleiben, um sich an die uneingeschränkten Topologien, welche mit solchen Net zwerken realisiertwerden können, anzupassen. Die zwei Abstraktionen sind die Nachbarschaft und das Swath. Die Nachbarschaftsabstraktion ermöglicht es einer Anwendung die Umgebung um einen Knoten zu erfassen. Mit der Swath-Abstraktion kann die Anwendung eine Sicht auf die Umgebungwelche sich in der Nachbarschafteines Pfades befindeterlangen. Weil scheinbar bezugslose Knoten einen negativen Effekt aufeinander haben können, erlauben wir einer App likation festzulegen, wie viel der Umgebungin einer Sicht erfassl werden soll. Die Grösse der Umgebungkann mittels des Nachbarschafts-Radius oder der Swath-Breitc angepasst werden. Anpassungsfähige Anwendungen können die Netzwerkabstraktionenals System zur Beobachtung von Ressourcen verwenden. Wir untersuchen den Lösungsraum für diese Sys teme zur Beobachtung von drahtlosen Netzwerken, indem wir die Schwierigkeiten beachten, mit denen sie konfrontiert sind: häufige Strukturveränderungen, nur beschränkt ersichtliche Beeinflussung zwischen Knoten, Hcterogenität des Netzwerkes und das Fehlen einerzentralen Kontroll- und Adminstrationsstelle. Wir präsentieren das Design und die Implementierung eines Systems zur Beobachtung von Ressourcen, welches mit den von 'ad hoc'-netzwerken IV

5 verursachten Schwierigkeiten umgehen kann. Wir evaluieren das System zur Beobachtung erkprüfstand mit 96 Knoten. Die Evaluation zeigt, dass das Beobachtungssystem agil ist. von Ressourcen auf einem drahtlosen Netzw Es erfasst Änderungenin der Umgebung in ms, währendes nur einen kleinen Anteil an Rechenressourcen( % CPU-Lastund ein Speicherverbrauch von 24KB) benötigt. Für die Experimente,welche beweglicheknoten vorsehen stellen wir ein Bezugssystem vor, welches Mobilitätsmodelle aufgrund von realen Bewegungsaufzeichnungen erstellt. Wirbeschreiben ein Mobilitätsmodell, welches auf Bewegungsaufzeichnungen einerwlan-umgebung aufbaut. Wir präsentieren Beispiele, wie diese Netzwerkabstraktionen von anpassungsfähigen Anwendungen verwendet werden können. Wir präsentieren ein Lastverteilungspro tokoll für drahtlose Netzwerke, eine kollaborative Anwendung und eine Diskussion über Verbesserungsmöglichkeiten von schon existierenden Routingprotokollen unter Verwendung der Swath-Abstraktion. Das Lastverteilungsprotokoll ist ein Beispiel, wie die Swath- Abstraktion verwendet werden kann, um die Last zwischen zwei Gateways aufgrund von Informationen über das Netzwerk zu verteilen. Um die Netzwerklastinformationen zu sammeln beschreiben wir einen Sensor, welcher Auskunft über die zur Verfügung stehende Bandbreite gibt. Die Implementierungdes Bandbreitensensors zeigt, wie wichtig des Pfades in die Bandbreitenberechnungenmiteinzubeziehen. Die kollaborativeanwendung ist eine selbst-organisierendeanwendung. Sie kann als Anwendungsbeispiel für die Nach barschaftsabstraktion gesehen werden. Zusätzlich dazu zeigen Anwendung, wie die Nachbarschaftsabstration und das Überwachungssystem es ist die Nachbarschaft wir mit der kollaborativen verwendet wer den können um komplexere Aufgaben zu erfüllen. Dies sind namentlichservice-auffindung und Interaktion zwischen verschiedenen Schichten. Die Diskussion über die Nutzung der Swath-Abstraktionin existierenden Routingprotokollen eröffnet Vorschläge für qualitative Verbesserungen von Routingprotokollen. Die Swath-Sicht, welche reich an Informationen ist, eröffnet neue Möglichkeiten zur Optimierung von existierendenprotokollen. dass die Nach barschaftsabstraktion und die Swath-Abstraktion praktisch und brauchbar sind: Sie können auf effiziente Weise von einem Überwachungssystem unterstützt werden und sie bieten An auf Netzwerkinformationaufweiche sie bei den Die Resultate, welche in dieser Thesis präsentiert werden zeigen, wendungeneine einfache Zugriffsmöglichkeit dynamischen Konditionenvon drahtlosen Netzwerken reagieren müssen.