Information-Centric Networking, A natural design for IoT applications?

par Maroua Meddeb

Thèse de doctorat en Réseaux, Télécommunications, Systèmes et Architecture

Soutenue le 27-09-2017

à Toulouse, INSA en cotutelle avec l'Ecole Nationale des Sciences de l'Informatique , dans le cadre de Mathématiques Informatique Télécommunications de Toulouse , en partenariat avec Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (laboratoire) et de Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes [Toulouse] / LAAS (laboratoire) .

Le président du jury était Mohamed Mosbah.

Le jury était composé de Khalil Drira, Abdelfattah Belghith, Amine Dhraief, Thierry Monteil, Takoua Abdellatif.

Les rapporteurs étaient Lamia Chaari, Hakima Chaouchi.

  • Titre traduit

    Le réseau basé sur les informations (ICN), une conception naturelle pour l'Internet des Objets?


  • Résumé

    L'Internet des Objets (IdO) est généralement perçu comme l'extension de l'Internet actuel à notre monde physique. Il interconnecte un grand nombre de capteurs / actionneurs, référencés comme des objets, sur Internet. Face aux importants défis imposés par l'hétérogénéité des dispositifs et l'énorme trafic généré, la pile protocolaire actuelle TCP / IP va atteindre ses limites. Le réseau centré sur l'information (ICN) a récemment reçu beaucoup d'attention comme une nouvelle architecture Internet qui a un grand potentiel pour être adoptée dans un système IdO. Le paradigme ICN forme la future architecture Internet qui s’est contrée sur les données elles-mêmes plutôt que sur leurs emplacements dans le réseau. Il s'agit d'un passage d'un modèle de communication centrée sur l'hôte vers un système centré sur le contenu en se basant sur des noms de contenu uniques et indépendants de la localisation, la mise en cache dans le réseau et le routage basé sur les noms. Grâce à ses avantages pertinents, l'ICN peut être un framework viable pour soutenir l’IdO, interconnectant des milliards d'objets contraints hétérogènes. En effet, ICN permet l'accès facile aux données et réduit à la fois le délai de récupération et la charge des requêtes sur les producteurs de données. Parmi plusieurs architectures ICN, le réseau de données nommées (NDN) est considéré comme l'architecture ICN appropriée pour les systèmes IdO. Néanmoins, de nouveaux problèmes ont apparu et s'opposent aux ambitions visées dans l'utilisation de la philosophie ICN dans les environnements IdO. En fait, nous avons identifié trois défis majeurs. Étant donné que les périphériques IdO sont habituellement limités en termes de ressources avec des limitations sévères de l'énergie, de la mémoire et de la puissance de traitement, les techniques de mise en cache en réseau doivent être optimisées. En outre, les données IdO sont transitoires et sont régulièrement mises à jour par les producteurs, ce qui impose des exigences strictes pour maintenir la cohérence des données mises en cache. Enfin, dans un scénario IdO, les objets sont souvent mobiles et nécessitent des stratégies pour maintenir leurs accessibilités. Dans cette thèse, nous proposons une stratégie de mise en cache optimale qui considère les contraintes des périphériques. Ensuite, nous présentons un nouveau mécanisme de cohérence de cache pour surveiller la validité des contenus mis en cache dans un environnement IdO. En outre, pour améliorer l'efficacité de la mise en cache, nous proposons également une politique de remplacement du cache qui vise à augmenter les performances du système et à maintenir la validité des données. Enfin, nous introduisons un nouveau routage basé sur les noms pour les réseaux NDN / IdO afin de prendre en charge la mobilité des producteurs.Nous simulons et comparons nos propositions à plusieurs propositions pertinentes sous un réseau IdO de trafic réel. Nos contributions présentent de bonnes performances du système en termes de taux de réduction du chemin parcouru par les requêtes, de taux de réduction du nombre des requêtes satisfaites par les serveur, du délai de la réponse et de perte des paquets, de plus, la stratégie de mise en cache offre un faible coût de cache et finalement la validité du contenu est considérablement améliorée grâce au mécanisme de cohérence.


  • Résumé

    The Internet of Things (IoT) is commonly perceived as the extension of the current Internet to our physical world. It interconnects an unprecedented number of sensors/actuators, referred as things, to the Internet. Facing the important challenges imposed by devices heterogeneity and the tremendous generated traffic, the current Internet protocol suite has reached its limits. The Information-Centric Networking (ICN) has recently received a lot of attention as a potential Internet architecture to be adopted in an IoT ecosystem. The ICN paradigm is shaping the foreseen future Internet architecture by focusing on the data itself rather than its hosting location. It is a shift from a host-centric! communication model to a content-centric one supporting among! others unique and location-independent content names, in-network caching and name-based routing. By leveraging the easy data access, and reducing both the retrieval delay and the load on the data producer, the ICN can be a viable framework to support the IoT, interconnecting billions of heterogeneous constrained objects. Among several ICN architectures, the Named Data Networking (NDN) is considered as a suitable ICN architecture for IoT systems. Nevertheless, new issues have emerged slowing down the ambitions besides using the ICN paradigm in IoT environments. In fact, we have identified three major challenges. Since IoT devices are usually resource-constrained with harsh limitations on energy, memory and processing power, the adopted in-network caching techniques should be optimized. Furthermore, IoT data are transient and frequently updated by the producer which imposes stringent requirements to maintain cached data freshness. Finally, in IoT scenario, devices are ! frequently mobile and IoT applications require keeping data continuity. In this thesis, we propose a caching strategy that considers devices constraints. Then, we introduce a novel cache freshness mechanism to monitor the validity of cached contents in an IoT environment. Furthermore, to improve caching efficiency, we also propose a cache replacement policy that targets to raise the system performances and maintain data freshness. Finally, we introduce a novel name-based routing for NDN/IoT networks to support the producer mobility. We simulate and compare our proposals to several relevant schemes under a real traffic IoT network. Our schemes exhibit good system performances in terms of hop reduction ratio, server hit reduction ratio, response latency and packet loss, yet it provides a low cache cost and significantly improves the content validity.


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