PhD Theses at KOM

Transitions in Monitoring and Network Offloading - Handling Dynamic Mobile Applications and Environments

Nils Richerzhagen

Friday March 01, 2019

English abstract:

Communication demands increased significantly in recent years, as evidenced in studies by Cisco and Ericsson. Users demand connectivity anytime and anywhere, while new application domains such as the Internet of Things and vehicular networking amplify heterogeneity and dynamics of the resource-constrained environment of mobile networks. These developments pose major challenges to an efficient utilization of existing communication infrastructure.
To reduce the burden on the communication infrastructure, mechanisms for network offloading can be utilized. However, to deal with the dynamics of new application scenarios, these mechanisms need to be highly adaptive. Gathering information about the current status of the network is a fundamental requirement for meaningful adaptation. This requires network monitoring mechanisms that are able to operate under the same highly dynamic environmental conditions and changing requirements.
In this thesis, we design and realize a concept for transitions within network offloading to handle the former challenges, which constitutes our first contribution. We enable adaptive offloading by introducing a methodology for the identification and encapsulation of gateway selection and clustering mechanisms in the transition-enabled service AssignMe.KOM. To handle the dynamics of environmental conditions, we allow for centralized and decentralized offloading.We generalize and show the significant impact of our concept of transitions within offloading in various, heterogeneous applications domains such as vehicular networking or publish/subscribe.
We extend the methodology of identification and encapsulation to the domain of network monitoring in our second contribution. Our concept of a transition-enabled monitoring service AdaptMon.KOM enables adaptive network state observation by executing transitions between monitoring mechanisms.We introduce extensive transition coordination concepts for reconfiguration in both of our contributions. To prevent data loss during complex transition plans that cover multiple coexisting transitionenabled mechanisms, we develop the methodology of inter-proxy state transfer. We study the coexistence of offloading and monitoring within a collaborative location retrieval system for location-based services.
Based on our prototypes of AssignMe.KOMand AdaptMon.KOM,we conduct an extensive evaluation of our contributions in the Simonstrator.KOM platform. We show that our proposed inter-proxy state transfer prevents information loss, enabling seamless execution of complex transition plans that cover multiple coexisting transitionenabled mechanisms. Additionally, we demonstrate the influence of transition coordination and spreading on the success of the network adaptation. We manifest a costefficient and reliable methodology for location retrieval by combining our transitionenabled contributions. We show that our contributions enable adaptivity of network offloading and monitoring in dynamic environments.

German abstract:

Die Anforderungen an Kommunikationsnetze sind in den letzten Jahren deutlich gestiegen. Benutzer erwarten Konnektivität zu jeder Zeit und an jedem Ort. Neue Anwendungen wie das Internet der Dinge und die Vernetzung von Fahrzeugen, verstärken die Heterogenität und die Dynamik der mobilen Netze. Häufige Anforderungsänderungen, die Diversität der Netze und steigende Datenaufkommen stellen Kommunikationssysteme und -mechanismen vor große Herausforderungen.
Zur Entlastung der Netze können Offloading-Ansätze genutzt werden. Um jedoch mit der Dynamik neuer Anwendungsszenarien umgehen zu können, müssen diese Mechanismen sehr anpassungsfähig sein. Die Erfassung von Informationen über den aktuellen Zustand des Netzes ist eine grundlegende Voraussetzung für eine sinnvolle und effiziente Anpassung. Zur Erfassung sind dafür Monitoring-Mechanismen erforderlich, die in der Lage sind, unter den gleichen hochdynamischen Umgebungsbedingungen und wechselnden Anforderungen zu arbeiten.
In dieser Dissertation erforschen und realisieren wir ein Konzept für Transitionen innerhalb des Offloadings in Netzen, um die oben genannten Herausforderungen zu bewältigen. In unserem ersten Beitrag ermöglichen wir adaptives Offloading, indem wir eine Methodik zur Identifizierung und Kapselung von Gateway-Selektionsmechanismen und Mechanismen zum Clustering in unseren transitionsfähigen Dienst AssignMe.KOMeinführen.Umder Dynamik derUmgebungsbedingungen gerecht zu werden, ermöglichen wir sowohl zentral als auch dezentral organisiertes Offloading. Wir generalisieren unser Konzept für heterogene Anwendungsbereiche wie Fahrzeugnetze und Publish/Subscribe-Systeme und zeigen die signifikanten Auswirkungen der Transitionen innerhalb des Offloadings.
In unserem zweiten Beitrag widmen wir uns der Erfassung der benötigten Zustandsinformationen in dynamischen mobilen Netzen. Unser Monitoringdienst Ad-aptMon.KOM ermöglicht eine adaptive Zustandsüberwachung des Netzes durch die Ausführung von Transitionen zwischen Monitoring-Mechanismen. In beiden Beiträgen führen wir umfangreiche Konzepte zur Koordination von Transitionen ein. Um Datenverlust bei komplexen Transitionsplänen zu vermeiden, die mehrere koexistierende, transitionsfähige Mechanismen betreffen, entwickeln wir die Methodik der proxyübergreifenden Zustandsübertragung.Wir untersuchen die Koexistenz von Monitoring und Offloading am Anwendungsfall der kollaborativen Standortbestimmung für ortsbezogene Dienste.
Basierend auf unseren Prototypen von AssignMe.KOM und AdaptMon.KOM führen wir eine ausführliche Evaluierung unserer Beiträge in der Simonstrator.KOMPlattform durch. Wir zeigen, dass die proxyübergreifende Zustandsübertragung Informationsverluste verhindert und eine nahtlose Ausführung komplexer Transitionspläne ermöglicht. Darüber hinaus zeigen wir den Einfluss der Koordinierung und Verteilung von Transitionen auf den Erfolg der Netz- und Mechanismen-Adaption. Durch die Kombination unserer transitionsfähigen Mechanismen ermöglichen wir eine kosteneffiziente und zuverlässige Standortbestimmung. Insgesamt zeigen wir, dass unsere Beiträge eine Adaption von Offloading und Monitoring an dynamische Umgebungsbedingungen und Anforderungen innerhalb des Netzes ermöglichen. Sie sind damit die Grundlage für adaptives Netzmanagement in zukünftigen Netzen.

PhD Theses