Opportunistic Networking Applications: From Theory to Practice

Abstract

Modern smartphones are the primary gateways to information, entertainment, social networks, and private relationships for billions of people.They typically achieve this by connecting to centralized Internet services via fast wireless links.

However, these smart devices have another, less used, set of communication capabilities:They can also talk directly over device-to-device communication technologies, and exchange content and messages without the need for the Internet. Message passing over these contacts creates an Opportunistic or a Delay-Tolerant Network.This form of networking is particularly useful in rural and remote areas that lack infrastructure, and in urban areas where the infrastructure has been overloaded by a crowd or disabled by a disaster. Even when infrastructure is available, it allows networking without relinquishing control and privacy to a centralized service.

In this dissertation, we contribute to advancing the availability and capability of opportunistic networking. We advance the availability by improving the opportunities for creating opportunistic contacts for smartphones, and the capability by designing advanced mechanisms for both content and computation interactions.

For connectivity, we measure to what extent existing public Wi-Fi access points allow direct device-to-device communications. We then introduce mechanisms to help scale device-to-device communications in access points with many clients. As an alternative to using existing infrastructure, we introduce the Liberouter neighborhood networking system based on cheap stand alone opportunistic routers.

On top of this basic connectivity, we design more advanced content access mechanisms to ease the development of opportunistic networking applications. In particular, we design a request/response mechanism for accessing content, particularly websites, that reside on servers outside the opportunistic network. We also design aquery/response mechanism to search for content in other nearby devices. Finally, we present mechanisms for shared content editing, e.g., wikis, in opportunistic networks.

We also introduce mechanisms to support opportunistic computations. First, we enable interactive web applications in the Liberouter network by attaching custom computations to the content messages. Second, we design a framework for the Liberouters for the opportunistic composition of general distributed services.Together, these contributions help advance the technical basis for smartphone-based opportunistic networking applications.

Viime vuosikymmenen aikana älypuhelimista on muovautunut miljardien ihmisten portti tietoon, viihteeseen ja sosiaaliseen vuorovaikutukseen. Tämän kehityksen ovat mahdollistaneet nopeat langattomat verkkoteknologiat, jotka kytkevät puhelimet Internetin suuriin, keskitettyihin palveluihin.

Internet-yhteyksien lisäksi modernit älypuhelimet kykenevät kuitenkin myös avaamaan yhteyksiä suoraan toistensa välille. Nämä vähemmän käytetyt teknologiat mahdollistavat viestien ja tiedon välittämisen laitteista toisiin ilman Internettiä ja sen palveluja. Tietoverkkoja, jotka perustuvat suoralle viestien vaihdolle laitteiden välillä, kutsutaan opportunistisiksi tai viivesietoisiksi verkoiksi.

Opportunistiset verkot ovat erityisen hyödyllisiä syrjäisillä alueilla, joissa infrastruktuuriverkkojen peitto on heikkoa. Lisäksi niistä on apua, jos tietoverkot ovat ylikuormittuneet tai vaurioituneet, esimerkiksi onnettomuuden tai suuren käyttäjämäärän seurauksena. Opportunistisissa verkoissa on myös mahdollista paremmin estää keskitettyjen palvelujen usein harjoittaman käyttäjien seurantaa ja hallintaa.

Tämä väitöskirjatutkimus pyrkii parantamaan opportunististen tietoverkkojen käytettävyyttä ja kyvykkyyttä. Käytettävyyttä työssä parannetaan tekniikoilla, jotka lisäävät suoria laitteiden välisiä tiedonsiirtomahdollisuuksia. Verkkojen kyvykkyyttä työssä parannetaan kehittämällä uusia mekanismeja sekä tiedonsiirtoon että tietojenkäsittelyyn opportunistisissa verkoissa.

Uusien tiedonsiirtomahdollisuuksien luomiseksi työssä mitataan avointen langattomien lähiverkkojen kykyä siirtää tietoa suoraan laitteiden välillä. Lisäksi työssä kehitetään mekanismeja, joilla pyritään estämään näiden verkkojen ylikuormittumista opportunistisen liikenteen seurauksena. Vaihtoehtoisena lähestymistapana työssä kehitetään edullisista kuluttajalaitteista muodostuva Liberouter-järjestelmä, joka luo opportunistisen verkon lähistön älypuhelimille.

Näiden verkkojen varaan työssä luodaan kolme kehittyneempää tiedonsiirtomekanismia: Ensin mahdollistetaan tiedonhaku Internetistä opportunistiseen verkkoon.Toiseksi mahdollistetaan tiedon etsiminen suoraan muista opportunistisen verkon laitteista. Kolmanneksi mahdollistetaan käyttäjien yhteinen tiedon muokkaaminen.Tietojenkäsittelyä varten työssä hyödynnetään Liberouter-laitteita palvelimina. Ensin mahdollistetaan laitteiden toiminta paikallisina web-palvelimina interaktiivisille sivustoille. Toiseksi mahdollistetaan laitteiden käyttö opportunistisena alustana paikallisille hajautetuille palveluille.