NDN- and DTN-based solutions for intermittent IoT communications

Abstract

Nowadays, modern infrastructure, vehicles, devices and physical objects sense, collect and communicate immense amounts of data with each other and with the Internet, shaping the so-called Internet of Things (IoT). The rapid technological evolution and broad applicability of IoT, paved the way for its widespread deployment in network environments with distinct characteristics and connectivity issues. One of the most critical issues for the well-functioning of modern IoT systems concerns the reliable and efficient support of intermittent communication between IoT devices, which is mainly caused due to nodes' mobility, poor coverage, limited connectivity or even due to high signal interference. Since the traditional TCP/IP stack faces difficulties with intermittently-connected IoT networks, because it is designed for the end-to-end interconnection of continuously connected devices, alternative networking architectures such as Named Data Networking (NDN) and Delay-/Disruption-Tolerant Networking (DTN) are actively investigated. NDN is one of the most well-known Information-Centric Networking (ICN) architectures, which is based on the content naming and distribution in a location-independent manner. Thus, NDN largely enhances content availability and data retrieval efficiency, however is unable to support highly volatile IoT environments, due to its use of symmetric paths. Contrarily, DTN architecture adopts the store-carry-and-forward approach, which allows nodes to stay interconnected in scenarios of prolonged delays and disruptions, by leveraging each available intermediate node, path and network. Although DTN improves the reliability of intermittently connected IoT networks, its host-centric communication model impedes the support of data-centric IoT communications. Taking stock of the distinct benefits of each approach, this thesis proposes NDN- and DTN-based combined and adaptive solutions to boost network performance and reliability, support mobility, enhance interoperability and bring communication flexibility to intermittently-connected IoT environments. In the first part of this thesis, we propose combined NDN- and DTN-based architectures to support mobility, enable interoperability and enhance communication versatility, in the context of disruptive IoT networks. Initially, we focus on enabling the flawless operation of NDN-based devices over highly unstable and mobile IoT environments, by proposing an integrated NDN-DTN scheme, called NoD, as well as cross-layer mechanisms between the NDN and DTN layers. Then, we address interoperability and client mobility issues of the TCP/IP-based MQTT protocol, by combining the recently introduced MQTT 5.0 standard with the DTN architecture. Interoperability-wise, we propose a combined edge architecture that enables the interconnection of continuously-connected MQTT 5.0 and partially-connected DTN devices, through its gateway-based operations. With respect to MQTT client mobility support, we introduce a proxy-based architecture, called MD-IoT, to ensure the seamless and reliable communication among mobile MQTT 5.0 publishers and subscribers, through the transparent integration of the DTN layer. Afterwards, we propose a universal multi-stack architecture, called MeND, that combines MQTT 5.0, NDN and DTN to support multiple IoT operations as well as flexible data-centric communication patterns over both continuously- and partially-connected IoT networks. We thoroughly assessed the performance, reliability and effectiveness of the proposed combined architectures, through extensive experimental campaigns in real-world and emulated opportunistic and mobile networks, stationary fully-connected and lossy environments and wireless smart city networks. The evaluation results indeed verify that the integrated NoD scheme and its cross-layer extensions, largely improve the reliability and performance of diverse disruption-prone IoT scenarios and, especially in opportunistic and highly disruptive environments, can outperform the effectiveness of NDN and DTN. Concerning our joint MQTT 5.0 and DTN endeavors, results indicate that: (i) our edge architecture can seamlessly operate under various disruption periods, allowing MQTT 5.0 and DTN devices to stay interconnected even in extreme conditions, and (ii) MD-IoT enables the efficient, reliable and transparent communication of mobile MQTT 5.0 publishers and subscribers. Also, our experimental findings validate the robust and efficient operation of the universal MeND architecture and highlight its multifunctional capabilities and communication versatility to support fully- and partially-connected IoT devices with diverse computational resources. In the second part of this dissertation, inspired by the distinct benefits and divergent performance of NDN, DTN and NoD, we propose adaptive Software-Defined Networking (SDN) based systems that leverage interchangeably and on-demand each approach to improve the performance and reliability of smart city networks with dynamically changing network conditions. First, we introduce a threshold-based adaptive system that collects urban network monitoring data, detects the connectivity state and the reliable paths of the network and accordingly deploys the appropriate protocol stack to the smart city network nodes. In the next phase, we focused on enabling protocol-adaptive strategies over wireless smart city links that experience periods of reliable and unreliable connectivity, and grafted SDN control features, link-based hybrid NDN, DTN and NoD strategies along with link reliability detection mechanisms in a single smart city platform, called REWIRE. Finally, we consolidate and extend our prior adaptive systems, into an adaptive SDN-based multi-protocol system, called ALTER, that incorporates mixed decision-making capabilities, experiment automation and network emulation facilities as well as link- and network-based adaptive protocol deployment and configuration operations. The evaluation results of the proposed adaptive systems, which are deduced from our extensive experimental campaign in real-world wireless smart city networks with dynamic network conditions, indicate that the interchangeable employment of NDN, DTN and NoD largely boost the performance and reliability of wireless urban networks, even by adopting link-based or cumulative network-based approaches. Specifically, our experimental findings underscore the clear-cut advantage of our proposed adaptive systems, compared to the individual NDN and NoD deployments under various dynamic network conditions and single-link and multi-hop wireless urban networks.

Το Διαδίκτυο στη σύγχρονη εποχή αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι της ζωής των ανθρώπων που ολοένα και επεκτείνεται. Υποδομές, οχήματα, συσκευές και φυσικά αντικείμενα παράγουν, συλλέγουν και επικοινωνούν τεράστιες ποσότητες δεδομένων, τόσο μεταξύ τους όσο και με το Διαδίκτυο και σταδιακά γίνονται εξυπνότερα. Αυτή η διασύνδεση των αντικειμένων συνδράμει στην αλληλεπίδραση του φυσικού με τον ψηφιακό κόσμο και αποτελεί το λεγόμενο Διαδίκτυο των Πραγμάτων (Internet of Things, IoT). Η ταχέως αναπτυσσόμενη τεχνολογική εξέλιξη του IoT σε συνδυασμό με την ολοένα και μεγαλύτερη υιοθέτησή του σε ποικίλους ψηφιακούς τομείς, όπως οι έξυπνες πόλεις, τα έξυπνα σπίτια και τα συστήματα περιβαλλοντικής παρακολούθησης, καθιστά το IoT μία καίριας σημασίας τεχνολογία για την ποιοτική και εύρυθμη καθημερινότητα των σύγχρονων κοινωνιών. Ως εκ τούτου, οι χρησιμοποιούμενες IoT συσκευές του πλανήτη σταδιακά αυξάνονται και εξαπλώνονται σε πολυάριθμα δικτυακά περιβάλλοντα και συστήματα με διαφορετικά χαρακτηριστικά και ζητήματα συνδεσιμότητας. Ένα από τα πιο κρίσιμα ζητήματα για την αξιόπιστη και αποδοτική λειτουργία των σύγχρονων ΙοΤ συστημάτων αφορά την αποτελεσματική υποστήριξη της διακοπτόμενης επικοινωνίας μεταξύ των IoT συσκευών, που προκαλείται κυρίως λόγω κινητικότητας των κόμβων, κακής κάλυψης, περιορισμένης συνδεσιμότητας ή ακόμα και εξαιτίας υψηλής παρεμβολής του σήματος. Καθώς η παραδοσιακή δικτυακή στοίβα TCP/IP αδυνατεί να υποστηρίξει επαρκώς δίκτυα IoT με διαλείπουσα συνδεσιμότητα, αφού έχει σχεδιαστεί για την από άκρο σε άκρο (end-to-end) διασύνδεση συνεχώς συνδεδεμένων συσκευών, διερευνώνται εναλλακτικές προσεγγίσεις δικτύωσης, όπως οι αρχιτεκτονικές Named Data Networking (NDN) και Delay-/Disruption-Tolerant Networking (DTN). Η αρχιτεκτονική NDN, αποτελεί μια από τις πιο γνωστές αρχιτεκτονικές Πληροφοριοκεντρικής Δικτύωσης (Information-Centric Networking, ICN), η οποία βασίζεται στην ονομασία και διανομή των δεδομένων στο δίκτυο με τρόπο ανεξάρτητο από την τοποθεσία. Έτσι, το NDN ενισχύει σημαντικά την διαθεσιμότητα του περιεχομένου και την αποτελεσματικότητα ανάκτησης δεδομένων, ωστόσο αδυνατεί να υποστηρίξει αποτελεσματικά εξαιρετικά ασταθή διακοπτόμενα συνδεδεμένα IoT περιβάλλοντα, καθώς βασίζεται στη χρήση συμμετρικών μονοπατιών. Αντιθέτως, η αρχιτεκτονική DTN, εφαρμόζοντας την λειτουργία αποθήκευσης, μεταφοράς και προώθησης (store-carry-and-forward), επιτρέπει στους κόμβους να παραμείνουν συνδεδεμένοι σε συνθήκες παρατεταμένων καθυστερήσεων και διακοπών, αξιοποιώντας κάθε διαθέσιμο ενδιάμεσο κόμβο, μονοπάτι και δίκτυο. Αν και συμβάλλει στην ενίσχυση της αξιοπιστίας των διακοπτόμενα συνδεδεμένων δικτύων IoT, το DTN ακολουθεί το host-centric μοντέλο επικοινωνίας και συνεπώς αδυνατεί να υποστηρίξει επαρκώς δεδομενοκεντρικές (data-centric) IoT επικοινωνίες. Λαμβάνοντας υπόψη τα ξεχωριστά οφέλη κάθε προσέγγισης, στην παρούσα διατριβή διερευνούμε, προτείνουμε, σχεδιάζουμε και αξιολογούμε λύσεις για τις διακοπτόμενες επικοινωνίες του IoT με βάση το NDN και το DTN. Πιο συγκεκριμένα, ακολουθούμε δύο κύριες κατευθύνσεις, προτείνοντας συνδυαστικές και προσαρμοστικές λύσεις για τη βελτίωση της απόδοσης και της αξιοπιστίας, την υποστήριξη της κινητικότητας, καθώς και την ενίσχυση της διαλειτουργικότητας και της ευελιξίας των διακοπτόμενα συνδεδεμένων IoT δικτύων. Το πρώτο μέρος της παρούσας διατριβής αφορά την πρόταση συνδυαστικών αρχιτεκτονικών βασισμένων στο NDN και το DTN, για την απρόσκοπτη υποστήριξη της κινητικότητας, την υποστήριξη της διαλειτουργικότητας και την ενσωμάτωση πολύπλευρων και ευέλικτων μοτίβων επικοινωνίας σε περιβάλλοντα IoT με διαλείπουσα συνδεσιμότητα. Αρχικά εστιάζουμε στην εξασφάλιση της απρόσκοπτης λειτουργίας NDN συσκευών σε εξαιρετικά ασταθή και κινητά περιβάλλοντα IoT, προτείνοντας ένα ενοποιημένο NDN-DTN σχήμα πρωτοκόλλων, που ονομάζεται NoD, καθώς και διαστρωματικούς (cross-layer) μηχανισμούς μεταξύ των NDN και DTN επιπέδων. Έπειτα, για την αντιμετώπιση ζητημάτων διαλειτουργικότητας και κινητικότητάς του, βασισμένου στο TCP/IP, MQTT πρωτοκόλλου, συνδυάζουμε το προσφάτως εισαχθέν MQTT 5.0 πρότυπο με την αρχιτεκτονική DTN. Αναφορικά με την επίλυση της διαλειτουργικότητας, προτείνουμε μια συνδυαστική edge αρχιτεκτονική που εξασφαλίζει την διασύνδεση μεταξύ συνεχώς συνδεδεμένων MQTT 5.0 και μερικώς συνδεδεμένων DTN συσκευών, μέσω των υποστηριζόμενων λειτουργιών πύλης (gateway). Σε σχέση με την υποστήριξη της κινητικότητας των MQTT πελατών (clients), εισάγουμε μία βασισμένη σε λειτουργίες μεσολαβητή (proxy) αρχιτεκτονική, που ονομάζεται MD-IoT, και η οποία εξασφαλίζει την απρόσκοπτη και αξιόπιστη επικοινωνία μεταξύ κινητών MQTT 5.0 publishers και subscribers, μέσω της διαφανούς διαμεσολάβησης του επιπέδου DTN. Αναφορικά με την ανάγκη υποστήριξης ποικίλων και ευέλικτων μοτίβων επικοινωνίας, τόσο σε πλήρως όσο και σε μερικώς συνδεδεμένα περιβάλλοντα IoT, προτείνουμε μία καθολική αρχιτεκτονική πολλαπλών στοιβών (multi-stack) που ονομάζεται MeND, η οποία συνδυάζοντας τα πρωτόκολλα MQTT 5.0, NDN και DTN υποστηρίζει ποικίλες λειτουργίες και ευέλικτες τεχνικές επικοινωνίας με επίκεντρο τα δεδομένα. Αξιολογούμε ενδελεχώς την απόδοση, την αξιοπιστία, και την αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων συνδυαστικών λύσεων, μέσα από εκτενείς πειραματικές μελέτες σε πραγματικά και προσομοιωμένα ευκαιριακά κινητά δίκτυα, στατικά επιρρεπή στις διακοπές περιβάλλοντα καθώς και ασύρματα δίκτυα έξυπνων πόλεων. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν πράγματι ότι το σχήμα επικοινωνίας NoD και οι cross-layer επεκτάσεις του, μπορούν να ενισχύσουν σημαντικά την αξιοπιστία και απόδοση ποικίλων ΙοΤ σεναρίων διακοπτόμενης συνδεσιμότητας και, σε περιπτώσεις ευκαιριακών και ιδιαίτερα διακοπτόμενων δικτύων, να ξεπεράσουν σε αποτελεσματικότητα τις μεμονωμένες προσεγγίσεις NDN και DTN. Αναφορικά με τις προτεινόμενες συνδυαστικές MQTT 5.0 και DTN προσεγγίσεις, τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν ότι: (α) η edge αρχιτεκτονική μπορεί να λειτουργεί απρόσκοπτα υπό το πρίσμα διαφορετικών περιόδων διακοπών, επιτρέποντας στις MQTT 5.0 και DTN συσκευές να παραμείνουν συνδεδεμένες ακόμη και σε ακραίες συνθήκες, και (β) η αρχιτεκτονική MD-IoT εξασφαλίζει την αποτελεσματική, αξιόπιστη και διαφανή επικοινωνία κινητών και διακοπτόμενα συνδεδεμένων MQTT 5.0 publishers και subscribers. Ακόμη, η εκτενής πειραματική μας ανάλυση επικυρώνει την εύρωστη και αποτελεσματική λειτουργία της καθολικής αρχιτεκτονικής MeND, και παράλληλα αναδεικνύει το λειτουργικό εύρος και την ευελιξία της λύσης για την υποστήριξη συνεχώς και διακοπτόμενα συνδεδεμένων IoT συσκευών με διαφορετικούς υπολογιστικούς πόρους. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, με έναυσμα τα ξεχωριστά οφέλη και τις αποκλίνουσες επιδόσεις των λύσεων NDN, DTN και NoD, εισάγουμε προσαρμοστικά συστήματα τα οποία αξιοποιούν εναλλακτικά κάθε προσέγγιση για την βελτιστοποίηση της απόδοσης και της αξιοπιστίας έξυπνων πόλεων με δυναμικά μεταβαλλόμενες συνθήκες. Σε αυτό το πλαίσιο, προτείνουμε και εξερευνούμε τρία διαφορετικά συστήματα έξυπνων πόλεων, τα οποία βασίζονται στην τεχνολογία Δικτύωσης Καθορισμένης από Λογισμικό (Software-Defined Networking, SDN) και εφαρμόζουν ξεχωριστές προσεγγίσεις προσαρμογής πολλαπλών πρωτοκόλλων καθώς και διαφορετικούς μηχανισμούς λήψης απόφασης (decision-making) και ανάληψης δράσης (action-taking). Αρχικά, εισάγουμε ένα προσαρμοστικό threshold-based σύστημα που συλλέγει δικτυακά δεδομένα, λαμβάνει αποφάσεις βάσει της συνολικής κατάστασης συνδεσιμότητας του δικτύου αλλά και της ύπαρξης αξιόπιστων μονοπατιών και αναπτύσσει και ρυθμίζει κατάλληλα κάθε πρωτόκολλο στους κόμβους του αστικού δικτύου. Στην επόμενη φάση εστιάζουμε στην ανάπτυξη προσαρμοστικών στρατηγικών πρωτοκόλλων για την διαχείριση ασύρματων περιβαλλόντων έξυπνων πόλεων ανά σύνδεση, ενσωματώνοντας SDN δυνατότητες ελέγχου, υβριδικές στρατηγικές NDN, DTN και NoD μαζί με μηχανισμούς ανίχνευσης αξιοπιστίας ζεύξης σε μία ενιαία πλατφόρμα, που ονομάζεται REWIRE. Τέλος, ενοποιούμε και επεκτείνουμε τις προηγούμενες προσαρμοστικές λύσεις μας, ενσωματώνοντας μικτές δυνατότητες λήψης αποφάσεων, αυτοματοποιημένες λειτουργίες πειραματισμού και εξομοίωσης δικτύου και προσαρμοστικές, ανά σύνδεσμο αλλά και βάση του συνολικού δικτύου, λειτουργίες ρύθμισης και ανάπτυξης πολλαπλών πρωτοκόλλων, σε ένα σύστημα που ονομάζεται ALTER. Τα αποτελέσματα αξιολόγησης των προτεινόμενων προσαρμοστικών συστημάτων, που συνάγονται από τις εκτενείς πειραματικές μας μελέτες σε πραγματικά ασύρματα αστικά δίκτυα με δυναμικές συνθήκες συνδεσιμότητας, υποδεικνύουν ότι η εναλλάξιμη εφαρμογή των NDN, DTN και NoD ωφελεί σημαντικά την απόδοση και την αξιοπιστία των ασύρματων αστικών περιβαλλόντων, υιοθετώντας τόσο σωρευτικές λειτουργίες βασισμένες στο δίκτυο όσο και προσεγγίσεις ανά σύνδεσμο. Συγκεκριμένα, τα πειραματικά μας αποτελέσματα αναδεικνύουν την ξεκάθαρη υπεροχή των συστημάτων προσαρμοστικής χρήσης πολλαπλών πρωτοκόλλων έναντι των επιμέρους ξεχωριστών προσεγγίσεων NDN και NoD σε ποικίλες συνθήκες δυναμικής δικτύωσης και πραγματικά ασύρματα περιβάλλοντα, ενός και πολλαπλών αλμάτων.