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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Mobility support in vehicular named-data networking = Suporte de mobilidade em redes veiculares centrados em nome de dados
Title Alternative: Suporte de mobilidade em redes veiculares centrados em nome de dados
Author: Duarte, João do Monte Gomes, 1982-
Advisor: Villas, Leandro Aparecido, 1983-
Braun, Torsten
Abstract: Resumo: Nesta tese, Vehicular Named-Data Networking (VNDN) refere-se ao uso do modelo de comunicação de Named-Data Networking (NDN) em redes veiculares (VANETs). As VANETs permitem a comunicação entre veículos e entre veículos e outros tipos de nós, incluindo road-side-units (RSUs), sensores, telefones celulares e outros dispositivos ligados á Internet das coisas (IoT). Desta forma, as VANETs contribuem para o desenvolvimento de sistemas de transporte inteligentes, mais seguros e eficientes, consequentemente melhorando as condições de navigabilidade dos condutores e dos passageiros. NDN atribui nomes unicos a cada conteúdo disponivel na rede em vez de identificar os conteúdos com base no endereço IP dos nós provedores. NDN ainda utiliza armazenamento em cache descentralizado para criar redundância de conteúdo na rede, o que é útil para diminuição da utilização dos recursos de rede e melhorar o tempo de resposta e disponibilidade de conteúdo. Desta forma, NDN melhora o desempenho do aplicações em VANETs quando comparado com outras técnicas de comunicação como IP, que se concentram em hosts em vez de conteúdo. Esta tese de doutorado investiga e propõe soluções eficientes para enfrentar os efeitos negativos nas comunicações aue são introduzidos pela alta mobilidade dos veículos e pela comunicação sem fio no desempenho das aplicações em VNDN. Entre as contribuições, esta tese propõe um protocolo de roteamento geográfico para rotear mensagens entre fontes de conteúdo e solicitantes. Este protocolo de roteamento geográfico é baseado no receptor, é multi-hop, e não faz uso de beacons nas comunicações inter-veiculares. Este protocolo aplica a técnica do encaminhamento baseado em contenção onde apenas os nós localizados em posições que proporcionem maior progresso em direção ao destino de uma mensagem são selecionados para encaminhar a mensagem. O protocolo proposto ainda evita os efeitos de problemas bem conhecidos em VANETs, como tempestades de broadcast, redundância de mensagens e ressincronização de transmissão. Para além deste protocolo, esta tese investiga os efeitos da mobilidade dos veiculos solicitantes de conteúdo em VNDN, e identifica o problema da Partição do Caminho Inverso (PCI). PCI pode ser definido como interrupções no enlace de comunicação entre dois encaminhadores de mensagens de dados consecutivos, impedindo-os de rotear mensagens de dados para o solicitante do conteúdo e pode acontecer mesmo em cenários conectados. O PCI pode ser causado por diferentes fatores, como distâncias e velocidades variáveis entre veículos, potências de transmissão variáveis e atenuações de sinal devido ás condições do meio de comunicação sem fio. Para solucionar o problema de PCI esta tese apresenta uma solução designada de conjunto auxiliary de encaminhamento (CAE). CAE determina a probabilidade de ocurrencia de PCI e quando necessário escolhe um conjunto extra de veículos elegíveis como candidatos para encaminhar mensagens em direção a seus destinos, em oposição ao padrão NDN, onde apenas os nós que encaminharam uma mensagem de interesse podem encaminhar a mensagem de dados correspondente. Esta tese também investiga os problemas da mobilidade dos fontes de conteúdo e das partições de rede em VNDN. O problema de mobilidade da fonte de conteúdo refere-se ao caso em que um veículo se move para um local diferente após anunciar a existencia de um determinado conteúdo na sua localizaçõa atual. Neste caso o referido veículo não recebe as mensagens de interesse enviadas em direção á sua localização antiga e não pode fornecer os conteúdos solicitados. Para resolver este problema, esta tese aplica o conceito de conteúdo flutuante (CF). Em CF sempre que um veículo de origem de conteúdo sai da localização onde anunciou o conteúdo, este replica o conteúdo para os veículos restantes atualmente nessa localização. Portanto, o conteúdo continua podendo ser fornecido por outros veículos na mesma região onde foi anunciado após o produtor original se mudar para locais diferentes ou se desconectar da rede. O problema das partições de rede refere-se ao caso em que a propagação de uma mensagem é interrompida porque o veículo que a envia ou encaminha não se encontra capaz de se comunicar com qualquer outro veículo mais próximo do destino. Para resolver este problema, esta tese propõeduas soluções diferentes. Para os casos em que existe suporte de infraestrutura, a solicitação do conteúdo pode ser delegada ás RSUs, enquanto que para os casos de enexistência de infraestrutura, esta tese aplica o conceito de store-carry-forward (SCF). No SCF sempre que partições da rede ocorram, veículos guardam temporariamente as mensagens e as re-enviam periódicamente até que os enlaces de comunicação sejam restabelecidos e as mensagens entregues aos próximos veículos. Como última contribuição, esta tese integra todas as soluções descritas anteriormente e propõe um mecanismo para anunciar os conteúdos recém-produzidos. Esta estrutura garante comunicações VNDN com alta performance tanto em rodovias como em regiões urbanas e em cenários com densidades de veículos variáveis. Os resultados da avaliações experimentais mostram que as soluções propostas nesta tese são eficientes e escaláveis e garantem alto desempenho ás aplicações VNDN, mesmo em cenários de tráfego móvel complexos e altamente dinámicos

Abstract: In this thesis, Vehicular Named-Data Networking (VNDN) refers to the use of the Named-Data Networking (NDN) communication model over Vehicular Ad-hoc Networks (VANETs). VANETs enable communication among vehicles and between vehicles and other types of nodes, including road-side units, sensors, mobile phones and other Internet of Things (IoT) devices. In this way, VANETs hold the potential to support the deployment of secure and efficient transportation systems, consequently improving drivers and passengers on-road experience. NDN focus on named content and relies on in-network and decentralized caching to provide content redundancy within networks, which is useful for decreasing network resource utilization and improve response time and content availability. In this way, NDN improves VANET application performance when compared to other communication techniques such as IP, which focus on hosts instead of content. This Ph.D. thesis proposes efficient solutions to address the negative effects of communication conditions induced by high vehicle mobility and wireless communications on VNDN application performance. Among the contributions, this thesis first proposes a geographic routing protocol to route VNDN messages between content sources and requesters. This geographic routing protocol is receiver-based, becon-less and, multi-hop. It applies the idea of contention-based forwarding where only the nodes located in positions that provide more progress towards the destination of a message are selected to forward the message. Besides, the proposed geographic routing protocol also addresses the effects of well-known VANET problems such as broadcast storms, message redundancy and transmission resynchronization. Then, this thesis investigates the effects of content receiver/requester mobility in VNDN, and identifies the problem of Reverse Path Partitioning (RPP). RPP can be defined as disruptions on the communication link between two consecutive Data message forwarders, preventing them from routing a Data message towards the content requester and can happen even in connected VNDN scenarios. RPP can be caused by different factors such as variable inter-vehicle distances and speeds, variable vehicle transmission power and signal attenuations due to temporary conditions of the shared wireless communication medium. To address RPP this thesis introduces Auxiliary Forwarding Set (AFS). AFS determines the RPP probability and when required chooses and extra set of eligible vehicles as candidates to forward message towards their destinations, as opposite to standard NDN where only the nodes that forwarded an Interest message forward the corresponding Data message. This thesis also investigates the problem of content source mobility and network partitions in VNDN. The content source mobility problem refers to the case where a content source vehicle moves to a different location after advertising a content object. In such a case, the content source misses the Interest messages sent towards its old location and cannot provide the requested content. To address this problem, this thesis applies the concept of Floating Content (FC). In FC whenever a content source vehicle leaves the location where a content object was advertised, it replicates the content object to the remaining vehicles currently in that location. Therefore, the content object can still be provided by other vehicles from the same region where it was advertised after the original producer has moved to a different locations or has disconnected from the network. The network partitions problem refers to the case where the propagation of a message is interrupted because the vehicle sending or forwarding it is not able to communicate with any other vehicle closer to the destination. To address this problem this thesis proposes two different solutions. For the cases where infrastructure support is available, content retrieval can be delegated to existing road-side units (RSUs) while for the cases of no infrastructure support this thesis apply the concept of store-carry-forward (SCF). In SCF whenever network partitions occur vehicles buffer messages and deliver them as soon as communication links are re-established. As the last contribution, this thesis integrates all the solutions described above in a framework and proposes a mechanism for advertising newly produced content objects. This framework is able to support VNDN communications in both highway and urban scenarios with variable vehicle densities. The evaluation results show that the solutions proposed in this thesis are efficient and scalable providing high VNDN application performance even in complex and highly mobile traffic scenarios
Subject: Redes ad hoc veiculares (Redes de computadores)
Sistemas inteligentes de veículos rodoviários
Sistemas de comunicação móvel
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2018
Appears in Collections:IC - Tese e Dissertação

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