Information Centric Networking in the IoT: Experiments...
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Programa de Engenharia Elétrica - PEE/COPPE/UFRJ
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Information Centric Networking in the IoT: Experiments with NDN in the Wild
Autores: Emmanuel Baccelli, Christian Mehlis, Oliver Hahm, Thomas C. Schmidt e Matthias Wählisch
First ACM Conference in Information Centric Networking (ICN, 2014)
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Sumário
• Introdução
• Proposta
• Implementação
• Conclusão e trabalhos futuros
• Avaliação do artigo
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Introdução
Motivação:
• Implementar o primeiro trabalho com avaliação do desempenho deuma rede NDN-IoT com dispositivos reais;
• Analisar a viabilidade, vantagens, desvantagens e trabalhos futuros para uma implementação NDN-IoT;
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Proposta
Proposta:
• Na proposta são testadas 2 estratégias de roteamento que viabilizamo uso de NDN em rede IoT, sem protocolo de controle da tabela FIB;
• Outra contribuição: Primeira comparação experimental entre NDN-IoTe 6LoWPAN/IPv6/RPL
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Proposta
Questões de projeto: Memória dos dispositivos e In-Networking Cache
• Dispositivos IoT têm memória disponível da ordem de 10 Kbytes. Quedeve ser usada para S.O., pilha de protocolo, etc. É comum adisponibilidade de apenas 1 k byte para cache;
• Por outro lado, os dados gerados por dispositivos IoT são da ordemde dezenas de bytes. Ex: Dados de temperatura com ~ 12 bytes;
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Proposta
Topologia:
• Topologia montada com hardware ScatterWeb, com rádio CC1100(868 MHz)
• Uso de CCN-Lite: versão NDN para sistemas Linux;
• Dentre as propostas CCN, optaram por NDN porque pode operardiretamente sobre o Link Layer;
Fonte: “The ScatterWeb MSB-A2 Platform for Wireless Sensor Networks”
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Proposta
Topologia: Campus da Universidade Livre de Berlim (Freie Universitat Berlin)
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Proposta
Topologia: Campus da Universidade Livre de Berlim (Freie Universitat Berlin)
3 prédios
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Proposta
Topologia:
60 nós IoT
Campus da Universidade Livre de Berlim (Freie Universitat Berlin)
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Proposta
Topologia:
60 nós IoT Múltiplos saltos
Campus da Universidade Livre de Berlim (Freie Universitat Berlin)
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Proposta
Topologia:
60 nós IoT
Comunicação sem-fio c/ MTU máx. de 64 bytes.
Múltiplos saltos
Campus da Universidade Livre de Berlim (Freie Universitat Berlin)
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Proposta
Topologia:
• Para evitar fragmentação no Nível de Enlace foi utilizado tamanho mínimo dospacotes NDN com 16 bytes de cabeçalho. O espaço para os nomes foi definidocom 12 bytes;
• 30 bytes disponíveis para transportar o conteúdo;
Cabeçalho NDN16 bytes
Nome NDN12 bytes
Conteúdo30 bytes
• Os dados são transmitidos por partes (chunks). Sensores utilizados geramaproximadamente 200 bytes por minuto;
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Proposta
Estratégias de roteamento:
• Foram realizados testes com 2 estratégias de roteamento distintas. Buscandoevitar o peso de processamento e tráfego para controle das tabelas:
• Vanilla Interest Flooding (VIF);
• Reactive Optimistic Name-based Routing (RONR)
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Proposta
Estratégias de roteamento:
• Foram realizados testes com 2 estratégias de roteamento distintas. Buscandoevitar o peso de processamento e tráfego para controle das tabelas:
• Vanilla Interest Flooding (VIF);
• Reactive Optimistic Name-based Routing (RONR)
Flooding dos pacotes deInteresse.
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Proposta
Estratégias de roteamento:
• Foram realizados testes com 2 estratégias de roteamento distintas. Buscandoevitar o peso de processamento e tráfego para controle das tabelas:
• Vanilla Interest Flooding (VIF);
• Reactive Optimistic Name-based Routing (RONR)
Grava entradas temporárias na FIB nocaminho reverso, após receber o primeiropacote de Dados com conteúdo.
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Proposta
Roteamento VIF:
• Vantagem: Permite que os nós NDN-IoT transfiram os pacotes de interessecom simples regras na FIB (economia de memória). É adequado para NDN-IoTporque não necessita de protocolo para controle da FIB;
• Desvantagem: Muitos pacotes de Interesse são transferidos para que umconsumidor complete a coleta de todos pedaços do conteúdo (data chunks);
k Número de chunks n Número de nós
Nº de Interesses transmitidos:
Aproximação do Tamanho médio de caminhos
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Implementação
Topologia com roteamento VIF:
1 consumidor (nó t9-k38) e 1 produtor (nó t9-155)
* Pesos dos links mostram o percentualde pacotes recebidos, por link, pordireção
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Implementação
Resultados com roteamento VIF:
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Implementação
Resultados com roteamento VIF:
Conclusão: VIF tem uma implementação simples e funciona no cenáriode teste mas não escala bem com relação ao número de transmissõesde rádio quando a rede cresce em número de nós ou o tamanho doconteúdo cresce.
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Implementação
Roteamento RONR:
• Características:
• Gera um tráfego menor de pacotes de interesse na rede porque sãoinstaladas entradas temporárias na FIB, no caminho reverso, após oprimeiro flooding de pacotes de interesse. Ex: Pacotes de interesse parao conteúdo gera a entrada temporária na FIB
• É otimista porque considera que o conteúdo está sempre em umprodutor. Essa característica é comum em IoT porque os conteúdos sãopequenos;
• O timeout garante que se o conteúdo não estiver completo em umprodutor, o consumidor pode reverter a consulta para outro nome queirá gerar novo flooding;
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Implementação
Roteamento RONR:
• Características:
• Gera um tráfego menor de pacotes de interesse na rede porque sãoinstaladas entradas temporárias na FIB, no caminho reverso, após oprimeiro flooding de pacotes de interesse. Ex: Pacotes de interesse parao conteúdo gera a entrada temporária na FIB
• É otimista porque considera que o conteúdo está sempre em umprodutor. Essa característica é comum em IoT porque os conteúdos sãopequenos;
• O timeout garante que se o conteúdo não estiver completo em umprodutor, o consumidor pode reverter a consulta para outro nome queirá gerar novo flooding;
Nº de Interesses transmitidos:
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Implementação
Vantagens do RONR:
• Reduz drasticamente a quantidade de pacotes de Interesse sem precisartambém rodar protocolos de controle da tabela FIB;
• Requer consumo mínimo de recursos para armazenar temporariamenteentradas na FIB no caminho reverso. Temporariamente ficam registradasentradas nas tabelas PIT e FIB;
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Implementação
Resultados RONR:
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Implementação
Resultados RONR:
~ 50 % de redução no número de Pacotes de Interesse.
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Implementação
Testes com múltiplos consumidores e impacto do caching:
• O mesmo conteúdo, distribuído em 20 chunks, é solicitado por até 3consumidores próximos. Usado o esquema de roteamento RONR;
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Implementação
Testes com múltiplos consumidores e impacto do caching:
• O mesmo conteúdo, distribuído em 20 chunks, é solicitado por até 3consumidores próximos;
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Implementação
Sem caching:
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Implementação
Com caching: Cache habilitado em todos nós. Tamanho do cache: 20 chunks = 2 Kbytes (2% da RAM de cada nó).
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Implementação
Comparação com 6LoWPAN/RPL/UDP:
• No teste NDN, usou mesmo cache de 2 kbytes;
• No teste com 6LoWPAN/RPL/UDP não foi considerado o tráfego para convergência do roteamento na rede;
• A topologia foi a mesma utilizada para os testes de múltiplos consumidores, com e sem cache;
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Implementação
Comparação com 6LoWPAN/RPL/UDP:
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Implementação
Comparação com 6LoWPAN/RPL/UDP: Trafego total chega ser 3 vezes maior que RONR.
Caminhos unicast escolhidos pelo RPL nem sempre são os mais curtos, gerando mais transmissões.
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Conclusão e Trabalhos futuros
Conclusão:
• O trabalho foi bem sucedido na implementação de NDN em um ambiente IoTreal;
• Foi possível mostrar que NDN-IoT possui vantagens comparado a protocolos tradicionais de IoT como a pilha 6LoWPAN/RPL/UDP em termos de consumo de energia dos dispositivos e memórias RAM e ROM;
Trabalhos futuros:
• Estudos de técnicas para compressão dos nomes dos conteúdos NDN e estrutura de nomes mais eficiente. Objetivo: Redução do tamanho dos pacotes;
• Estudos para in-network caching mais eficiente. Balanço entre tempo de armazenamento, consumo de energia e validade dos conteúdos;
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Análise do artigo
Trabalho:
• Inclusão de uma análise do consumo de energia dos nós e não somente da quantidade de pacotes transmitidos;
• Há oportunidade para mais discussões entre NDN-IoT e 6LoWPAN/RPL/UDP com relação à proposta de roteamento, RONR. Ex: Quando há perda de nós centrais, como fica o desempenho de cada estratégia? Quantidade de pacotes transmitidos? Tempo de convergência. É possível comparar?
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Análise do artigo
Pontos fortes Pontos fracos
Trabalho relevante pra área einovador. Primeira implementação deNDN-IoT fora de simuladores;
Gráficos de topologias poderiam estar melhor apresentados;
Boas citações. Congressos e periódicos relevantes para a área;
Poderia ampliar as discussões entre RONR e 6LoWPAN principalmente em momentos de falhas na rede;
Boa organização das ideias e didática para detalhar o sistema;
Inclusão de mais detalhes no artigosobre os dispositivos utilizados.Detalhes básicos sobre espaço dememória, modo de transmissãopoderiam ser colocadosresumidamente;
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Obrigado