NDN- and DTN-based solutions for intermittent IoT communications
Authors: Δεμίρογλου Βασίλειος 
Published: December 2024

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.