Implementation of linear network coding over a flexible emulator

Abstract

This dissertation has the main objective of study and implement network coding (NC) techniques in a flexible emulator, programmed in a language that allows the coexistence of entities running parallel code, in order to emulate each node independently. The dissertation starts with the study of NC’s concept and with the characterization of the different type of coding methods, with a focus on linear network coding (LNC). . A flexible Java emulator (named Net Genius) was developed, which not only allows numerous topologies of networks, but also different types of coding. In addition, the emulator allows to emulate the networks in two different modes: with a distributed network or with a centralized network. In order to present the differences between the LNC approach and the traditional approach used in packet networks (based in routing tables), the emulator allows the user to choose between these two types of approach, assessing the impact of having network coding over user-defined networks. When implementing LNC, the concept of generations of packets was introduced in order to avoid combining packets from different sources. Leveraging on this, the transfer matrix at each node is calculated based on the coded packets and not based on the information stored in each node. In addition to this, a mechanism to code packets at the source was implemented, as well as a mechanism to introduce errors in the connection links. This allowed to emulate networks with different link error probabilities, in order to assess the resilience of the different approaches to the presence of failures.

Esta dissertação visa estudar e a implementar técnicas de network coding (NC) num emulador flexível, programado numa linguagem que permita a coexistência de entidades a correr código em paralelo por forma a simular cada nó de forma independente. Este trabalho começa com estudo do conceito de NC e da caracterização dos diferentes tipos de métodos de codificação, focando-nos essencialmente no linear network coding (LNC). Optou-se por criar um emulador flexível em Java (designado por Net Genius), que não só permite várias topologias de redes, mas também vários tipos de codificação. Além disso, o emulador permite emular as redes em dois modos diferentes, um modo com uma rede distribuída e outro com uma rede centralizada. De modo a evidenciar as diferenças entre a abordagem LNC e a abordagem tradicional (sem codificação), o emulador permite escolher o tipo de abordagem em cada emulação, o que permite estudar o impacto do NC em redes definidas por utilizadores. Procedeu-se à implementação de técnicas LNC e introduziu-se um conceito de gerações de pacotes, de modo a evitar a codificação de pacotes de diferentes fontes. A par disto, a matriz de codificação é calculada com base nos pacotes codificados e não com base na informação guardada em cada nó. Por último, implementou-se um mecanismo para codificação de pacotes na fonte e um mecanismo de introdução de erros nos links, permitindo emular a rede com diferentes probabilidades de erro, sendo possível ver como as abordagens resistem à existência de falhas nas ligações.