On information-centric routing and forwarding in the internet of things

par Marcel Enguehard

Thèse de doctorat en Réseaux, information et communications

Sous la direction de Jean-Louis Rougier.

  • Titre traduit

    Du routage centré contenu pour l'internet des objets


  • Résumé

    Les réseaux centrés contenus (ICN) sont considérés comme une solution aux nouveaux défis et modes de communication liés à l'émergence de l'Internet des Objets (IoT). Pour confirmer cette hypothèse, la problématique fondamentale du routage sur les réseaux ICN-IoT doit être abordée. Cette thèse traite de ce sujet à travers l'architecture IoT.Premièrement, une méthode sécurisée est introduite pour acheminer des paquets ICN à partir de coordonnées géographiques dans un réseau sans-fil de capteurs à faible puissance. Elle est comparée à une inondation optimisée du réseau inspirée des approches existant dans la littérature. En particulier, leur faisabilité et passage à l'échelle sont évalués via un modèle mathématique. Le modèle est paramétré grâce à des données réalistes issues de simulation, de la littérature, et d'expériences sur des capteurs. Il est montré que le routage géographique permet de diviser la mémoire nécessaire sur les capteurs par deux et de réduire considérablement le coût énergétique du routage, en particulier pour des topologies dynamiques.Ensuite, ICN est utilisé pour contrôler l'admission à une plate-forme de calcul de type Fog afin de garantir le temps de réponse. La stratégie de contrôle d'admission proposée, le LRU-AC, utilise l'algorithme Least-Recently-Used (LRU) pour apprendre en direct la distribution de popularité des requêtes. Son efficacité est démontrée grâce à un modèle fondé sur un réseau de files d'attente. Une implémentation du LRU-AC est proposé, utilisant des filtres de Bloom pour satisfaire aux contraintes des cartes FPGA. Son bien-fondé est prouvé par un modèle mathématique et son efficacité en termes de latence et débit démontrée.Enfin, on présente vICN, un outil pour la gestion et la virtualisation de réseaux ICN-IoT. Il s'agit d'une plate-forme qui unifie la configuration et la gestion des réseaux et des applications en exploitant les progrès des techniques d'isolation et de virtualisation. vICN est flexible, passe à l'échelle, et peut remplir différents buts : expériences à grande échelle reproductibles pour la recherche, démonstrations mélangeant machines émulées et physiques, et déploiements réels des technologies ICN dans les réseaux IP existants.


  • Résumé

    As the Internet of Things (IoT) has brought upon new communication patterns and challenges, Information-Centric Networking (ICN) has been touted as a potential solution. To confirm that hypothesis, the fundamental issue of routing and forwarding in the ICN-IoT must be addressed. This thesis investigates this topic across the IoT architecture.First, a scheme to securely forward ICN interests packets based on geographic coordinates is proposed for low-power wireless sensor networks (WSN). Its efficiency is compared to an optimized flooding-based scheme similar to current ICN-WSN approaches in terms of deployability and scalability using an analytical model. Realistic data for the model is derived from a mixture of simulation, literature study, and experiments on state-of-the-art sensor boards. Geographic forwarding is shown to halve the memory footprint of the ICN stack on reference deployments and to yield significant energy savings, especially for dynamic topologies. Second, ICN is used to enhance admission control (AC) to fixed-capacity Edge-computing platforms to guarantee request-completion time for latency-constrained applications. The LRU-AC, a request-aware AC strategy based on online learning of the request popularity distribution through a Least-Recently-Used (LRU) filter, is proposed. Using a queueing model, the LRU-AC is shown to decrease the number of requests that must be offloaded to the Cloud. An implementation of the LRU-AC on FPGA hardware is then proposed, using Ageing Bloom Filters (ABF) to provide a compact memory representation. The validity of using ABFs for the LRU-AC is proven through analytical modelling. The implementation provides high throughput and low latency.Finally, the management and virtualization of ICN-IoT networks are considered.vICN (virtualized ICN), a unified intent-based framework for network configuration and management that uses recent progress in resource isolation and virtualization techniques is introduced. It offers a single, flexible and scalable platform to serve different purposes, ranging from reproducible large-scale research experimentation to demonstrations with emulated and/or physical devices and network resources and to real deployments of ICN in existing IP networks.


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