Energy efficient provisioning of P2P communications for mobile devices

Deokate, Balu Jagannath (author), Trček, Denis (mentor), Conti, Mauro (comentor)

Nowadays, VoIP calls use fixed or mobile cellular networks. Recently, people started to use Internet-based social applications for communications on their mobile devices. These applications have become essential for exchanging information and for organizing different activities. It is convenient to access the Internet using cellular or WiFi network in urban areas. People from urban areas are using the Internet instead of a cellular network for the calling. However, the availability of network infrastructure is the main challenge at remote or rural locations. Also, there are several constraints on communication infrastructure due to natural disasters or political tensions. A fully decentralized P2P network over a MANET for communications is a viable option to overcome these threats. University campuses, railway stations, or farmers at remote locations can create a P2P network over MANET for communications. Peer-to-Peer (P2P) network is a self-organizing and decentralized network. P2P network applications can be deployed over Mobile Ad hoc Networks (MANETs) because both networks share a set of common characteristics such as dynamic topology, decentralized control, and self-organization. P2P networks can adapt to failures and accommodate transient populations of nodes while maintaining good connectivity and performance. MANET is more suitable for disaster management in remote areas. In P2P mobile networks, mobile nodes can form an overlay network on top of the underlying physical network and provide data sharing on the Internet. Although MANETs and P2P networks share similarities regarding dynamic topology and autonomy, it is challenging to implement P2P overlay routing over MANETs. The overlay network consists of logical links between nodes that are independent of an underlying network. The underlay network consists of physical links between nodes based on a network’s physical topology. P2P nodes do not consider underlay network topology to build their overlay routing table, which results in a mismatch between the P2P overlay nodes and underlay network nodes. The node mismatch problem generates a significant routing overhead that strongly affects the lifetime of resource-constraint mobile devices. Mobility creates communication overhead to maintain routing tables. Due to variable churn rates, a network should be resilient to propagate routing and topology updates. Each node in the P2P mobile network maintains two independent routing tables for an underlay network and overlay network. These independent routing tables increase communication overhead. The routing process plays a vital role in energy-efficient communications. The energy-efficient data communication prolongs the network lifetime. So, mobile nodes need energy-efficient routing protocols at network and overlay layers. Therefore, my research work aims to address the mobility and energy consumptionrelated challenges in P2P communications over resource-constrained devices. To this end, the contributions are three-fold. First, we provide a comprehensive analysis of the state-of-the-art popular routing protocols in different P2P networking scenarios to evaluate their default ability to handle the mobility and energy consumption issues. Based on this evaluation, we identify the best-suited routing protocol and improve it. Second, to improve the routing performance and address a mobility issue in P2P networks, we propose MACARON as a novel Mobility-aware Cross-layer Routing approach for P2P networks over MANET. MACARON provides the guarantee on routing state and path stretch bound. It does not use the DHT-based design or landmarkbased location directories for creating an overlay network. Instead, it uses an unstructured name-locator-based overlay over MANET. MACARON provides scalability by using location-independent routing. It handles fast mobility by using the Last Encounter Routing (LER) protocol for underlying routing. The simulation results show that MACARON provides guaranteed routes with low path stretch O(1) by maintaining O(n) routing entries per node, where n is the size of the network. Third, to provide energy-efficient routing, we propose a novel energy-aware routing for peer-to-peer networks (EAR-P2PN). EAR-P2PN helps to improve the network lifetime by using energy-efficient routes for communications. An energy consumption model helps to estimate the residual energy of mobile nodes. The energy-aware routing approach considers different performance parameters for evaluation. EAR-P2PN shows performance improvement over state-of-the-art protocols.

• Language: English
• Keywords: peer-to-peer network, MANETs, routing, energy efficiency, overlay networks
• Work type: Doctoral dissertation
• Typology: 2.08 - Doctoral Dissertation
• Organization: FRI - Faculty of Computer and Information Science
• Year: 2022
• PID: 20.500.12556/RUL-142498
• COBISS.SI-ID: 131581955
• Publication date in RUL: 11.11.2022

Secondary language

• Language: Slovenian
• Title: Energijsko učinkovito omogočanje P2P komunikacije za mobilne naprave

Abstract

Danes klici VoIP uporabljajo fiksna ali mobilna omrežja. Pred kratkim so ljudje začeli uporabljati internetne družbene aplikacije za komunikacijo na svojih mobilnih napravah. Te aplikacije so postale bistvene za izmenjavo informacij in organiziranje različnih dejavnosti. V mestih je priročno dostopati do interneta prek mobilnega ali WiFi omrežja. Ljudje iz mestnih območij za klic uporabljajo internet namesto mobilnega omrežja. Razpoložljivost takšnega omrežne infrastrukture je glavni izziv na podeželskih lokacijah. Poleg tega obstaja več omejitev glede komunikacijske infrastrukture zaradi naravnih nesreč ali političnih napetosti. Za premagovanje teh ovir se kot primerna možnost ponuja popolnoma decentralizirano omrežje P2P prek komunikacijskega omrežja MANET. Univerzitetni kampusi, železniške postaje ali kmetije na oddaljenih lokacijah lahko ustvarijo taksno omrežje P2P prek omrežja MANET. Omrežje Peer-to-Peer (P2P) je samoorganizirano in decentralizirano omrežje. Omrežne aplikacije P2P je mogoče uvesti prek mobilnih ad hoc omrežij (MANET), saj imata obe omrežji sorodne značilnosti, kot so dinamična topologija, decentraliziran nadzor in samoorganizacija. Omrežja P2P se lahko prilagodijo napakam in vključujejo prehodna vozlišča, hkrati pa ohranijo dobro povezljivost in zmogljivost. Omrežja MANET so tako bolj primerna za obvladovanje nesreč na oddaljenih območjih. V mobilnih omrežjih P2P lahko mobilna vozlišča tvorijo prekrivno omrežje nad osnovnim fizičnim omrežjem in omogočajo skupno rabo podatkov v internetu. Čeprav imajo omrežja MANET in P2P podobnosti v zvezi z dinamično topologijo in avtonomijo, je izvajanje omrežja P2P preko omrežja MANET izziv. Prekrivno omrežje je sestavljeno iz logičnih povezav med vozlišči, ki so neodvisna od osnovnega omrežja. Osnovno omrežje je sestavljeno iz fizičnih povezav med vozlišči, ki temeljijo na fizični topologiji. Ker vozlišča P2P pri izdelavi prekrivnih usmerjevalnih tabel ne upoštevajo topologije osnovnega omrežja, prihaja do neskladja med vozlišči prekrivnega omrežja P2P in vozlišči osnovnega omrežja MANET. Težava z neusklajenostjo vozlišča ustvarja znatne stroške usmerjanja, ki močno vplivajo na življenjsko dobo mobilnih naprav, saj so te računsko omejene. Nadaljnje dodatne komunikacijske stroške pri vzdrževanju usmerjevalnih tabel prinaša mobilnost vozlišče. Če želimo dovoliti določeno stopnjo osipa vozlišča, mora biti omrežje odporno za razširjanje usmeritev in posodobitev topologije. Proces usmerjanja ima ključno vlogo pri energetsko učinkovitih komunikacijah, saj le-ta podaljša življenjsko dobo omrežja. Zato mobilna vozlišča potrebujejo energetsko učinkovite protokole usmerjanja tako na omrežni kot prekrivni plasti. Nase raziskovalno delo je namenjeno obravnavi izzivov, povezanih z mobilnostjo in porabo energije v komunikacijah P2P prek naprav z omejenimi viri. V ta namen so prispevki tega dela trojni. Najprej celovito analiziramo najsodobnejše in najbolj popularne protokole usmerjanja v različnih scenarijih povezovanja P2P, tako da ovrednotimo njihovo privzeto sposobnost reševanja vprašanj mobilnosti in porabe energije. Na podlagi te ocene določimo najprimernejši protokol usmerjanja in ga tudi izboljšamo. Drugič, za izboljšanje usmerjanja in reševanje vprašanja mobilnosti v omrežjih P2P predlagamo rešitev MACARON kot nov pristop navzkrižnega usmerjanja, ki upošteva mobilnost v omrežju P2P prek omrežja MANET. MACARON podaja garancijo za stanje usmerjenosti in omejen odsek poti. Za ustvarjanje prekrivnega omrežja ne uporablja tabel DHT ali lokacijskih imenikov, ki temeljijo na znamenitostih. Namesto tega uporablja nestrukturirano prekrivanje, ki temelji na lokatorju imen nad omrežjem MANET. MACARON zagotavlja razširljivost z uporabo usmerjanja, neodvisnega od lokacije in opravlja hitro mobilnost z uporabo protokola Last Encounter Routing (LER) za osnovno usmerjanje. Rezultati simulacije kažejo, da MACARON podaja zajamčene poti z nizkim raztegom poti O(1) in ohranja število usmerjevalnih vnosov pod mejo O˜(n) na vozlišče, kjer je n velikost omrežja . Tretjič, da bi zagotovili energetsko učinkovito usmerjanje, predlagamo novo energetsko ozaveščeno usmerjanje za omrežja peer-to-peer (EAR-P2PN). EAR-P2PN izboljša življenjsko dobo omrežja z uporabo energetsko učinkovitih poti za komunikacijo. Model porabe energije pomaga oceniti preostalo energijo mobilnih vozlišč. Pristop usmerjanja, ki se zaveda energije, upošteva različne parametre učinkovitosti za vrednotenje. EAR-P2PN kaže izboljšanje zmogljivosti v primerjavi z najsodobnejšimi protokoli.

• Keywords: peer-to-peer omrežje, MANET, usmerjanje, energetska učinkovitost, prekrivna omrežja