Software defined networks for wireless devices with constrained resources

Abstract

The Internet of Things (IoT) is gradually incorporating multiple environmental, people, or industrial monitoring deployments with diverse communication and application requirements. The main routing protocols used in the IoT, such as the IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks (RPL), are focusing on the many-to-one communication of resource-constraint devices over wireless multi-hop topologies, i.e., due to their legacy of the Wireless Sensor Networks (WSN). The Software-Defined Networking (SDN) paradigm appeared as a promising approach to implement alternative routing control strategies, enriching the set of IoT applications that can be delivered, by enabling global protocol strategies and programmability of the network environment. However, SDN can be associated with significant network control overhead. In this thesis, we propose an approach that advances Low-power WSN to the era of IoT through centralized, programmable network control and operation, aligned to the SDN paradigm that brings the following novelties in contrast to the state-of-the-art works: (i) programmable routing control with reduced control overhead through inherent protocol support of a long-range control channel; and (ii) a modular SDN controller and an OpenFlow-like protocol improving the quality of communication in a wide range of IoT scenarios that employ heterogeneous mobile or static constraint devices, through supporting alternative topology discovery and control as well as flow establishment and routing mechanisms that dynamically adapt to different network deployments. We explore our proposed mechanisms and processes implementing a series of modular open-source frameworks (i.e., CORAL-SDN, VERO-SDN, SD-MIoT and MINOS). We evaluate the outcomes through a series of simulated experiments of alternative IoT use-case scenarios that include different topologies, network sizes, mobility characteristics, and high-volume transmissions with alternative communication patterns. The results prove our initial hypothesis as they verify that the SDN based programmable routing and control helps to overcome the challenges that IoT applications bring to WSN, providing flexible, efficient and robust performance with reduced control overhead.

Το πεδίο της διδακτορικής διατριβής βασίζεται στη μελέτη των Ασύρματων Δικτύων Περιορισμένων Πόρων όπως τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (Wireless Sensor Networks, WSN). Τα δίκτυα αυτά παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον, καθώς βρίσκουν πληθώρα εφαρμογών σε πολλούς τομείς με κυριότερο το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (Internet of Things, IoT). Το Διαδίκτυο των Πραγμάτων, αποτελεί κεντρική τεχνολογία της λεγόμενης 4ης βιομηχανικής επανάστασης και δημιουργεί πλήθος νέων και σύνθετων απαιτήσεων στις δικτυακές επικοινωνίες καθώς ενσωματώνει εφαρμογές που εκτός από την βιομηχανία εφαρμόζονται και στην καθημερινότητα των ανθρώπων. Τα κύρια πρωτόκολλα δρομολόγησης που χρησιμοποιούνται σήμερα στο Διαδίκτυο των Πραγμάτων, όπως το πρωτόκολλο δρομολόγησης RPL για Ασύρματα Δίκτυα χαμηλής ισχύος και περιορισμένων πόρων, λόγω της κατανεμημένης αρχιτεκτονικής τους, παρουσιάζουν σοβαρές αδυναμίες στην ευέλικτη διαχείρισή τους και κατ’ επέκταση στην εφαρμογή τους στις σύγχρονες απαιτήσεις (δηλ. διαλειτουργικότητα, κινητικότητα, ετερογένεια και ποιότητα υπηρεσίας - QoS). Σήμερα στην αιχμή της έρευνας και της εξέλιξης των πρωτοκόλλων δρομολόγησης καθώς και της βελτίωσης των μεθόδων διαχείρισης δικτύων βρίσκονται τα Προγραμματιζόμενα Δίκτυα (Software-Defined Networks, SDN). Τα δίκτυα αυτά βρίσκουν πρακτική εφαρμογή σε δίκτυα υποδομής και υποστηρίζονται από μεγάλες εταιρείες του χώρου και αποτελούν ένα νέο ερευνητικό πεδίο, το οποίο ενδεχομένως μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλους τύπους δικτύων. Ωστόσο, τα Προγραμματιζόμενα Δίκτυα παρουσιάζουν σημαντική επιβάρυνση στην κίνηση του δικτύου λόγω της πληθώρας των μηνυμάτων ελέγχου που χρειάζονται για να λειτουργήσουν. Για το λόγο αυτό δεν ενδείκνυται η απευθείας εφαρμογή τους σε τύπους δικτύων όπως τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων καθώς επιβαρύνουν τους ήδη περιορισμένους πόρους τόσο των συσκευών όσο και του μέσου μετάδοσης του δικτύου. Η διατριβή επικεντρώνεται στην εφαρμογή τεχνικών Προγραμματιζόμενων Δικτύων μέσω του σχεδιασμού και της υλοποίησης αλγορίθμων και πρωτοκόλλων, τόσο στο επίπεδο του κεντρικού διαχειριστή (controller) του δικτύου, όσο και στο επίπεδο της επικοινωνίας δεδομένων του δικτύου (data-plane). Ο στόχος είναι η βελτίωση της διαχείρισης και λειτουργίας των Ασύρματων Δικτύων Αισθητήρων στο περιβάλλον του Διαδικτύου των Πραγμάτων λαμβάνοντας υπόψη χαρακτηριστικά όπως η κίνηση των κόμβων του δικτύου, η ταχύτητα και η ποιότητα επικοινωνίας μεταξύ τους. Οι ερευνητικοί στόχοι επικεντρώνονται στον σχεδιασμό, υλοποίηση και την αξιολόγηση προγραμματιζόμενων πρωτοκόλλων ελέγχου δρομολόγησης που λειτουργούν με χαμηλή επιβάρυνσή ελέγχου (δηλ. μειωμένο αριθμό μηνυμάτων ελέγχου) μέσω προτεινόμενης καινοτόμου λύσης που υποστηρίζει ξεχωριστό κανάλι ελέγχου μεγάλης εμβέλειας. Επιπλέον, τα πρωτόκολλα αυτά ακολουθώντας τις αρχές των Προγραμματιζόμενων Δικτύων υποστηρίζονται από λογισμικό ελεγκτή δρομολόγησης και διαχείρισης του δικτύου που βελτιώνει την ποιότητα λειτουργίας του δικτύου, σε ένα ευρύ φάσμα σεναρίων που χρησιμοποιούν κινητές ή στατικές συσκευές με περιορισμένους πόρους. Η χρήση κεντρικού διαχειριστεί για τον έλεγχο του δικτύου επιτρέπει τη δημιουργία και υποστήριξη καινοτόμων αλγορίθμων για την εύρεση της τοπολογίας του δικτύου και τον έλεγχο της δρομολόγησης των δεδομένων, που μπορούν να λειτουργούν εναλλακτικά και να προσαρμόζονται δυναμικά στις ιδιαιτερότητες και τα χαρακτηριστικά του δικτύου. Οι προτεινόμενοι μηχανισμοί και διαδικασίες υλοποιούνται σε μια σειρά ολοκληρωμένων λύσεων που υλοποιήθηκαν στα πλαίσια της διατριβής και διατίθενται με την άδεια ανοιχτού κώδικα (δηλ., CORAL-SDN, VERO-SDN, SD-MIoT και MINOS). Η αξιολόγηση των προτεινόμενων λύσεων γίνεται μέσω μιας σειράς πειραμάτων που προσομοιώνουν εναλλακτικά σενάρια για το IoT χρησιμοποιώντας Προγραμματιζόμενα Δίκτυα Αισθητήρων και περιλαμβάνουν διαφορετικές τοπολογίες, μεγέθη δικτύου, χαρακτηριστικά κινητικότητας και μεταδόσεις μεγάλου όγκου δεδομένων, με εναλλακτικά μοτίβα επικοινωνίας. Τα αποτελέσματα επαληθεύουν την αρχική υπόθεση, καθώς επιβεβαιώνουν ότι η εφαρμογή των Προγραμματιζόμενων Δικτύων για τον έλεγχο δρομολόγησης και διαχείρισης του δικτύου βοηθά να ξεπεραστούν οι προκλήσεις που εισάγουν οι σημερινές εφαρμογές στα Ασύρματα Δίκτυα, παρέχοντας ευέλικτη, αποτελεσματική και στιβαρή απόδοση, με μειωμένη επιβάρυνση ελέγχου.