Employing concepts of the SDN paradigm to support last-mile military tactical edge networks

Abstract

The future battlefield tends to be populated by a plethora of “intelligent things”. In some ways, this is already a reality, but in future battlefields, the number of deployed things should be orders of magnitude higher. Networked communication is essential to take real advantage of the deployed devices on the battlefield, and to transform the data collected by them into information valuable for the human warfighters. Support for human decision making and even a level of autonomy, allowing devices to coordinate and interact with each other to execute their activities in a collaborative way require continuous communication. Challenges regarding communication will arise from the high dynamics of the environment. The network adaption and management should occur autonomously, and it should reflect upper-level decisions. The large scale of the network connecting high-level echelons, troops on the field, and sensors of many types, beside the lack of communication standards turn the integration of the devices more challenging. In such a heterogeneous environment, many protocols and communication technologies coexist. This way, battlefield networks is an element of paramount importance in modern military operations Additionally, a change of paradigm regarding levels of autonomy and cooperation between humans and machines is in course and the concept of network-centric warfare is a no way back trend. Although new studies have been carried out in this area, most of these concern higher-level strategic networks, with abundant resources. Thus, these studies fail to take into account the “last-mile Tactical Edge Network (TEN) level,” which comprises resource constrained communication devices carried by troopers, sensor nodes deployed on the field or small unmanned aerial vehicles. In an attempt to fill this gap, this work proposes an architecture combining concepts from software-defined networking (SDN) paradigm and the delay-tolerant approach to support applications in the last-mile TEN. First, the use of SDN in dynamic scenarios regarding node positioning is evaluated through a surveillance application using video streaming and Quality of Experience (QoE) measures are captured on the video player. We also explore the election of nodes to act as SDN Controllers in the TEN environment. The experiments use emulator for SDN with support to wireless networks. Further investigation is required, for example, considering security requirements, however the results are promising and demonstrate the applicability of this architecture in the TEN network scenario.

Em um futuro próximo, “dispositivos inteligentes” serão massivamente empregados em campos de batalha. Essa já é uma realidade, porém, o número de dispositivos utilizados em campos de batalha tende a aumentar em ordens de magnitude. As redes de comunicação de dados serão essenciais para transmitir os dados que esses dispositivos coletam e transformá-los em informações valiosas utilizadas como suporte à atuação humana. O suporte à tomada de decisão, ou mesmo níveis de autonomia, permitindo que estes dispositivos coordenem outros dispositivos, exigem comunicação contínua. Desafios relacionados à comunicação surgirão devido à dinamicidade do ambiente. A configuração da rede deve refletir decisões superiores automaticamente. A grande escala das redes conectando os altos escalões, tropas, veículos e sensores, aliada à falta de padronização dos dispositivos, tornará a integração destes desafiadora. Em um ambiente tão heterogêneo, muitos protocolos e tecnologias coexistirão. As redes de campo de batalha são um elemento de suma importância nas operações militares modernas e conceito de guerra centrada em rede é uma tendência sem volta e influencia desde os altos escalões até o controle de tropas Embora estudos tenham sido realizados nessa área, a maioria deles aborda redes estratégicas de alto nível e portanto não levam em conta as “redes táticas de última milha” (TEN), que compreendem dispositivos de comunicação com recursos limitados, como sensores ou ainda pequenos veículos aéreos não tripulados. Em uma tentativa de preencher esta lacuna, esse trabalho propõe uma arquitetura que combina conceitos dos paradigmas de redes definidas por software (SDN) juntamente com redes tolerantes à atraso/disrupçoes (DTN), para aplicação em redes táticas de última milha. O uso de SDN em cenários com nodos móveis é avaliado considerando uma aplicação de vigilância que utiliza streaming de vídeo e medidas de Qualidade de Experiência (QoE) de usuário são coletadas. Com base nos resultados obtidos, uma aplicação em conjunto dos conceitos de SDN e DTN é proposta, além disso abordamos a escolha do nodo que atuará como controlador SDN na rede. Os experimentos foram executados utilizando um emulador de redes. Apesar de pesquisas adicionais serem necessárias – considerado requisitos de segurança, por exemplo – os resultados foram promissores e demonstram a aplicabilidade destes conceitos no cenários das TENs.