ICN Communication Optimization for Internet of Things - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

ICN Communication Optimization for Internet of Things

Optimisation de la communication via ICN pour les applications IoT

Boubakr Nour
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 174302
  • IdHAL : nboubakr

Résumé

The Internet of Things (IoT) has gained extensive attention from both industry and academia in the past decade. The connectivity of each and every piece of technology in the environment with the Internet has opened many avenues of research and development. However, one thing still remains the same: host-centric communication, since it is the predominant way of communication on the Internet. However, host-centric communication is still the predominant Internet communication method. With the evolution of everything else, host-based communication has been stretched to limits, and the exploration of new models has been underway for several years. Information-Centric Networking (ICN) is a major contender for future Internet architecture, where content is the basic key/central/main regardless of its location. ICN intends to offer content-based naming, in-network caching, inherent mobility support, multicast support, and content-based security as part of the design and not an add-on functionality. On the other hand, most IoT applications inherently follow a content-oriented paradigm. IoT users or things ask for the content and consume the generated data from the network instead of communicating with a specific host or device, such as the retrieval of sensed values from a sensor, or monitoring the status of a patient in their home. In fact, ICN can facilitate large-scale IoT deployment, by improving network performance & scalability, enhance security & mobility, and optimize the energy consumption of devices. In recent years, numerous efforts have been made to integrate ICN with IoT. Nevertheless, new issues, due to the nature of IoT applications and the working principle of ICN, have emerged slowing down the ambitions besides using the ICN paradigm in IoT environments. In this thesis, we investigate and explore the possibilities to use ICN as a communication enabler for IoT applications. Inspired by the extensive research results in IoT-based ICN, we provide a detailed and systematic review of this merger. Furthermore, we identify a set of challenges and issues which we classify into two main classes: Network Communication and Network Management. For instance, we find that content naming -- the pillar element in ICN architecture, publish-subscribe communication -- a dominant communication model in IoT applications, and content caching scheme -- a fundamental building block in ICN network, can be listed in the network communication class, whereas control protocol -- an indispensable protocol for large-scale networks, can be arranged in the network management class. The core contributions and innovations of this thesis are as follows: (1) In order to overcome ICN naming issues such as identifying content/service/devices, producing long and unbounded names, and performing efficient aggregation rules, we propose a unified hybrid ICN naming scheme for IoT applications. The proposed scheme incorporates a prefix-labeling method to describe hierarchical location names and applies a variable-length encoding method to produce short names with various embedded semantic functionalities using attribute-value design. Moreover, the scheme supports fast local IoT communication using the Name-to-Code translation concept that tends to tackle long name-prefix issues, as well as multi-source content retrieval through the in-network function concept that aims at fetching content from multiple producers with a smaller number of packets and overhead. The simulation results show that the proposed scheme is inherently better than the existing state-of-the-art solutions and drastically reduces the memory consumption, lookup time, routing and forwarding overhead, and enhances the overall IoT communication. (2) In order to support publish-subscribe communication in ICN, we propose a group-based subscription scheme. The proposed scheme enables not only a seamless publisher-subscriber model, but also authentication, access control, and group management features. Without violating the single request-response ICN communication primitive, we design a scalable subscription management scheme using semi-persistent packets and specialized tables at intermediate nodes. The scheme also adopts the Logical Key Hierarchy mechanism to efficiently distribute security keys and secure content sharing among the authorized subscribers. Compared to traditional pull-based subscription, the proposed scheme is able to achieve lower control overhead, with added security and privacy features. The performance analysis shows that with semi-persistent interest, the memory requirements of the core nodes can be kept at minimal levels. (3) In order to design an efficient content caching schemes for IoT applications, we propose centralized and distributed in-network content caching schemes. The centralized scheme aims at selecting the most suitable placement to cache content by minimizing the cost of moving content from the original producer to the intermediate cache-store and from the cache-store to consumers, as well as minimizing the caching cost at intermediate nodes. The designed heuristic algorithm, Highest-First Farthest-Later, selects intermediate nodes with the highest demands, free cache memory as well as they are far away to satisfy a maximum number of demands. The second distributed scheme, Push Down Popular Push Up Less-Popular, aims at pushing down the popular content into the edge network and keeping the less-popular content in the core network. The obtained results show the efficiency and superiority of our scheme against similar strategies in terms of network delay, hop reduction, and cache utilization. (4) In order to design a control protocol compatible with the design principle of ICN, we propose a control protocol for named data networks that can relay different network error, information, notification, and service messages. Our protocol uses content name instead of host address, compatible with the interest-data exchange model and ICN forwarding plane, and supports interest aggregations. The protocol defines a new type of control packet that contains ControlClass and ControlType fields to specify the class of control message and its type. We define three main classes of control messages: Standard Error Messages, Notification Messages, and Service Messages. Each class has a set of messages based on class and usage. The designed protocol improves the network performance especially in the IoT environment, and can easily be extended to support different information-centric platforms. In conclusion, this dissertation studies the applicability of ICN as a communication enabler for IoT. It proposes a series of schemes for different ICN aspects (i.e., naming, communication model, in-network caching, and control protocol) that aim at providing a seamless and efficient IoT-based ICN network. Qualitative analyses and extensive experiments prove the efficiency of our schemes that outperform the existing solutions and exhibit better system performance with less overhead and added features.
L'Internet des objets (IoT) a beaucoup retenu l'attention de l'industrie et du monde universitaire au cours de la dernière décennie. La connectivité de chaque élément technologique de l'environnement avec Internet a ouvert de nombreuses voies de recherche et développement. Cependant, une chose reste la même: la communication centrée sur l'hôte, car c'est le moyen de communication prédominant sur Internet. Cependant, la communication centrée sur l'hôte reste la méthode de communication Internet prédominante. Avec l'évolution de tout le reste, la communication basée sur l'hôte a été poussée à ses limites et l'exploration de nouveaux modèles est en cours depuis plusieurs années. Le réseau centré sur l'information (ICN) est un concurrent majeur pour la future architecture Internet, où le contenu est la clé de base / central / principal quel que soit son emplacement. ICN a l'intention de proposer la dénomination basée sur le contenu, la mise en cache en réseau, la prise en charge de la mobilité inhérente, la prise en charge de la multidiffusion et la sécurité basée sur le contenu dans le cadre de la conception et non comme une fonctionnalité complémentaire. D'autre part, la plupart des applications IoT suivent intrinsèquement un paradigme orienté contenu. Les utilisateurs ou objets de l'IoT demandent le contenu et consomment les données générées à partir du réseau au lieu de communiquer avec un hôte ou un appareil spécifique, comme la récupération des valeurs détectées à partir d'un capteur ou la surveillance de l'état d'un patient chez lui. En fait, ICN peut faciliter le déploiement de l'IoT à grande échelle, en améliorant les performances et l'évolutivité du réseau, en améliorant la sécurité et la mobilité, et en optimisant la consommation d'énergie des appareils. Ces dernières années, de nombreux efforts ont été faits pour intégrer ICN à l'IoT. Néanmoins, de nouveaux problèmes, en raison de la nature des applications IoT et du principe de fonctionnement d'ICN, sont apparus, ralentissant les ambitions en plus de l'utilisation du paradigme ICN dans les environnements IoT. Dans cette thèse, nous étudions et explorons les possibilités d'utiliser ICN comme facilitateur de communication pour les applications IoT. Inspirés par les résultats de recherche approfondis dans ICN basé sur l'IoT, nous fournissons une revue détaillée et systématique de cette fusion. En outre, nous identifions un ensemble de défis et de problèmes que nous classons en deux catégories principales: la communication réseau et la gestion de réseau. Par exemple, nous constatons que la dénomination de contenu - l'élément pilier de l'architecture ICN, la communication de publication-abonnement - un modèle de communication dominant dans les applications IoT et le schéma de mise en cache de contenu - un élément fondamental du réseau ICN, peut être répertoriée dans le la classe de communication réseau, tandis que le protocole de contrôle - un protocole indispensable pour les réseaux à grande échelle, peut être organisé dans la classe de gestion de réseau. Les principales contributions et innovations de cette thèse sont les suivantes: (1) Afin de surmonter les problèmes de dénomination ICN tels que l'identification du contenu / service / des appareils, la production de noms longs et illimités et l'application de règles d'agrégation efficaces, nous proposons un schéma de dénomination ICN hybride unifié pour les applications IoT. Le schéma proposé incorpore une méthode d'étiquetage de préfixe pour décrire les noms d'emplacement hiérarchiques et applique une méthode de codage à longueur variable pour produire des noms courts avec diverses fonctionnalités sémantiques intégrées à l'aide de la conception attribut-valeur. De plus, le système prend en charge la communication IoT locale rapide à l'aide du concept de traduction de nom en code qui tend à résoudre les problèmes de préfixe de nom long, ainsi que la récupération de contenu multi-source via le concept de fonction en réseau qui vise à récupérer le contenu de plusieurs producteurs avec un plus petit nombre de paquets et des frais généraux. Les résultats de la simulation montrent que le schéma proposé est intrinsèquement meilleur que les solutions de pointe existantes et réduit considérablement la consommation de mémoire, le temps de recherche, la surcharge de routage et de transfert, et améliore la communication IoT globale. (2) Afin de prendre en charge la communication de publication-abonnement dans ICN, nous proposons un système d'abonnement basé sur un groupe. Le schéma proposé permet non seulement un modèle d'éditeur-abonné transparent, mais également des fonctionnalités d'authentification, de contrôle d'accès et de gestion de groupe. Sans violer la primitive de communication ICN requête-réponse unique, nous concevons un schéma de gestion d'abonnement évolutif utilisant des paquets semi-persistants et des tables spécialisées au niveau des nœuds intermédiaires. Le schéma adopte également le mécanisme de hiérarchie de clés logiques pour distribuer efficacement les clés de sécurité et sécuriser le partage de contenu entre les abonnés autorisés. Par rapport à l'abonnement traditionnel basé sur pull, le système proposé est capable de réduire les frais de contrôle, avec des fonctionnalités de sécurité et de confidentialité supplémentaires. L'analyse des performances montre qu'avec un intérêt semi-persistant, les besoins en mémoire des nœuds principaux peuvent être maintenus à des niveaux minimaux. (3) Afin de concevoir des schémas de mise en cache de contenu efficaces pour les applications IoT, nous proposons des schémas de mise en cache de contenu en réseau centralisés et distribués. Le schéma centralisé vise à sélectionner l'emplacement le plus approprié pour mettre en cache le contenu en minimisant le coût de déplacement du contenu du producteur d'origine vers le cache-store intermédiaire et du cache-store vers les consommateurs, ainsi qu'en minimisant le coût de mise en cache aux nœuds intermédiaires. L'algorithme heuristique conçu, le plus élevé en premier le plus éloigné, sélectionne les nœuds intermédiaires avec les demandes les plus élevées, la mémoire cache libre ainsi que leur éloignement pour satisfaire un nombre maximal de demandes. Le deuxième système distribué, Push Down Popular Push Up Less-Popular, vise à pousser le contenu populaire vers le réseau périphérique et à conserver le contenu le moins populaire dans le réseau central. Les résultats obtenus montrent l'efficacité et la supériorité de notre schéma par rapport à des stratégies similaires en termes de délai réseau, de réduction des sauts et d'utilisation du cache. (4) Afin de concevoir un protocole de contrôle compatible avec le principe de conception d'ICN, nous proposons un protocole de contrôle pour les réseaux de données nommés qui peuvent relayer différents messages d'erreur réseau, d'informations, de notification et de service. Notre protocole utilise le nom du contenu au lieu de l'adresse de l'hôte, compatible avec le modèle d'échange de données d'intérêt et le plan de transfert ICN, et prend en charge les agrégations d'intérêts. Le protocole définit un nouveau type de paquet de contrôle qui contient des champs ControlClass et ControlType pour spécifier la classe du message de contrôle et son type. Nous définissons trois classes principales de messages de contrôle: les messages d'erreur standard, les messages de notification et les messages de service. Chaque classe a un ensemble de messages basés sur la classe et l'utilisation. Le protocole conçu améliore les performances du réseau, en particulier dans l'environnement IoT, et peut facilement être étendu pour prendre en charge différentes plates-formes centrées sur l'information. En conclusion, cette thèse étudie l'applicabilité de l'ICN en tant que facilitateur de communication pour l'IoT. Il propose une série de schémas pour différents aspects ICN (c'est-à-dire la dénomination, le modèle de communication, la mise en cache dans le réseau et le protocole de contrôle) qui visent à fournir un réseau ICN transparent et efficace basé sur l'IoT. Des analyses qualitatives et des expériences approfondies prouvent l'efficacité de nos systèmes qui surpassent les solutions existantes et présentent de meilleures performances système avec moins de frais généraux et des fonctionnalités supplémentaires.
Fichier principal
Vignette du fichier
Boubakr_Nour_ICNIoT_PhD.pdf (3.39 Mo) Télécharger le fichier
Origine Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
Loading...

Dates et versions

tel-02883232 , version 1 (21-07-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02883232 , version 1

Citer

Boubakr Nour. ICN Communication Optimization for Internet of Things. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. Beijing Institute of Technology, 2020. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02883232⟩
1060 Consultations
126 Téléchargements

Partager

Gmail Mastodon Facebook X LinkedIn More