Applied Network Coding in Wireless Networks

Inhaltsverzeichnis

1. Introduction

1.1. Network Coding

1.1.1. Principle

1.1.2. Linear Coding

1.1.3. Deterministic Coding

1.1.4. Decentralized network coding

1.1.5. Random Coding

1.2. Peer-to-Peer Swarming

1.2.1. Microsoft Avalanche

1.2.2. Codetorrent

1.3. Haggle

1.4. COPE

1.4.1. Opportunistic Listening

1.4.2. Opportunistic Coding

1.4.3. Opportunistic Routing

1.4.4. Pseudo Broadcast

1.4.5. Realization of the Cope principle

1.4.6. Performance Bottlenecks for TCP

2. Implementations

2.1. MIT Reference Implementation

2.1.1. CLICK

2.1.2. Roofnet

2.1.3. Madwifi-stripped

2.1.4. COPE elements

2.2. OpenWRT

2.2.1. Stable Branch / White Russian

2.2.2. “Bleeding Edge” / Kamikaze

2.2.3. Buildroot Environment

2.2.4. Packages

2.2.5. Image Deploying / Flashing

3. Measurements

3.1. Layout of the experiments

3.1.1. Retransmissions

3.1.2. Bandwidth

3.1.3. Memory leak

3.2. Measurement results

3.2.1. Throughput without coding

3.2.2. Throughput with coding

3.2.3. Analysis

3.3. Conclusion of the experiments

4. Resilience through redundancy

4.1. Zaib Quality of Service

4.1.1. Problems Addressed

4.1.2. Improvements

4.1.3. Complete solution

4.1.4. Example

4.1.5. Simulation / Analysis

4.2. Adaptive Preventive Redundancy

4.2.1. Problems addressed

4.2.2. Improvements

4.2.3. Complete solution

4.2.4. Example

4.2.5. Advantages against Reed-Solomon Coding

4.3. Outlook

Zielsetzung & Themen

Die vorliegende Master-Thesis untersucht die praktische Anwendung von Network Coding in drahtlosen Netzwerken, um den Durchsatz zu erhöhen und die Ausfallsicherheit durch redundante Übertragungen zu verbessern. Das primäre Ziel ist die Implementierung des COPE-Verfahrens auf einem SOHO-Router unter Verwendung von OpenWRT, um die theoretischen Leistungsvorteile in einer realen Umgebung zu validieren.

• Grundlagen und Prinzipien von Network Coding und linearen Codes
• Analyse des COPE-Protokolls und dessen Implementierung in drahtlosen Mesh-Netzwerken
• Experimentelle Evaluierung der Durchsatzsteigerung durch Network Coding
• Entwicklung von Ansätzen zur Erhöhung der Ausfallsicherheit (Zaib Quality of Service und Adaptive Preventive Redundancy)
• Herausforderungen bei der Implementierung von Netzwerk-Software auf eingebetteten Linux-Systemen (OpenWRT)

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1. Introduction: Dieses Kapitel erläutert die theoretischen Grundlagen von Network Coding, verschiedene Kodierungsansätze sowie Anwendungen in P2P-Netzwerken und Protokollen wie COPE und Haggle.

2. Implementations: Hier werden die praktischen Schritte zur Implementierung von COPE auf einem OpenWRT-basierten Linux-Router beschrieben, inklusive der Nutzung von Click-Software-Routern.

3. Measurements: Dieses Kapitel dokumentiert den experimentellen Versuchsaufbau zur Evaluierung des COPE-Verfahrens sowie die Analyse der erzielten Durchsatzsteigerungen.

4. Resilience through redundancy: Der Autor stellt neue Konzepte vor, bei denen Network Coding nicht zur Durchsatzmaximierung, sondern zur Steigerung der Ausfallsicherheit und Redundanz in drahtlosen Verbindungen eingesetzt wird.

Schlüsselwörter

Network Coding, Wireless Networks, COPE, Durchsatz, Ausfallsicherheit, Mesh-Netzwerke, OpenWRT, Click Router, Redundanz, Pakete, Routing, Latenz, Linux, Paketverlust, Quality of Service

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?

Die Arbeit beschäftigt sich mit der praktischen Umsetzung und Evaluierung von Network Coding in drahtlosen Netzwerken, um Durchsatz und Zuverlässigkeit zu verbessern.

Was sind die zentralen Themenfelder?

Die Schwerpunkte liegen auf der Funktionsweise von Network Coding, der Portierung des COPE-Protokolls auf eingebettete Router-Systeme und der Entwicklung neuer Mechanismen für redundante Datenübertragung.

Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?

Ziel ist es, den Durchsatzvorteil von Network Coding in einem realen Testaufbau zu messen und zusätzlich Konzepte zu entwickeln, wie Netzwerk-Kodierung die Ausfallsicherheit in unzuverlässigen drahtlosen Umgebungen erhöhen kann.

Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?

Der Autor kombiniert theoretische Analysen mit einem experimentellen Ansatz, bei dem ein Testnetzwerk (Alice und Bob) mit und ohne Network Coding aufgebaut und mittels Messungen (iperf) quantitativ ausgewertet wurde.

Was wird im Hauptteil behandelt?

Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Einführung, die Beschreibung der Software-Implementierung (Click/OpenWRT), die Darstellung der Messergebnisse sowie theoretische Vorschläge für eine verbesserte Ausfallsicherheit durch redundante Paket-Kodierung.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?

Die zentralen Begriffe sind Network Coding, COPE, OpenWRT, Mesh-Netzwerke und Redundanz durch Kodierung.

Welche spezifischen Probleme gab es bei der Implementierung auf den Routern?

Die größte Hürde war die Abhängigkeit des COPE-Protokolls von veralteten, speziellen WLAN-Treibern (madwifi-old), was die Portierung auf moderne Broadcom-basierte Hardware und das OpenWRT-System massiv erschwerte.

Warum zeigt sich ein Gewinn bei der Ausfallsicherheit als vielversprechend?

Da Network Coding in realen Szenarien oft durch hohe Paketverlustraten limitiert ist, schlägt der Autor vor, Kodierung primär zur Fehlertoleranz zu nutzen, anstatt nur auf reinen Durchsatz zu zielen.