[논문 리뷰] COPSS-lite: Lightweight ICN Based Pub/Sub for IoT Environments

Haitao Wang, Sripriya Srikant Adhatarao외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 12.

Caching and Content Delivery참고 문헌 7인용 수 7

한 줄 요약

COPSS-lite는 자원이 제한된 IoT 환경에서 효율적인 콘텐츠 배포를 가능하게 하기 위해 CCN-lite에 경량이며 상호운용 가능한 발행/구독(pub/sub) 확장 기능을 제공하는 경량(pub/sub) 확장 기능이다. CCN-lite에 pub/sub 의미 체계를 통합하고 다중 홉 라우팅을 위해 RPL을 활용함으로써 COPSS-lite는 네트워크 부하와 지연 시간을 감소시켜 실제 센서 노드를 사용한 IoT 실험실 테스트에서 기존의 쿼리/응답 메커니즘 대비 뚜렷한 성능 향상을 보였다.

ABSTRACT

Information Centric Networking is a new networking paradigm that treats content as first class entity. It provides content to users without regards to the current location of the content. The publish/subscribe systems have gained popularity in Internet. Pub/sub systems dismisses the need for users to request every content of their interest. Instead, the content is supplied to interested users (subscribers) as and when it is published. CCN/NDN are popular ICN proposals widely accepted in the ICN community however, they do not provide an efficient pub/sub mechanism. COPSS enhances CCN/NDN with an efficient pub/sub capability. Internet of Things (IoT) is a growing topic of interest in both Academia and Industry. The current designs for IoT relies on IP. However, the IoT devices are constrained in their available resources and IP is heavy for their operation.We observed that IoT's are information centric in nature and hence ICN is a more suitable candidate to support IoT environments. Although NDN and COPSS work well for the Internet, their current full fledged implementations cannot be used by the resource constrained IoT devices. CCN-lite is a light weight, inter-operable version of the CCNx protocol for supporting the IoT devices. However, CCN-lite like its ancestors lacks the support for an efficient pub/sub mechanism. In this paper, we developed COPSS-lite, an efficient and light weight implementation of pub/sub for IoT. COPSS-lite is developed to enhance CCN-lite and also support multi-hop connection by incorporating the famous RPL protocol for low power and lossy networks. We provide a preliminary evaluation to show proof of operability with real world sensor devices in IoT lab. Our results show that COPSS-lite is compact, operates on all platforms that support CCN-lite and we observe significant performance benefits with COPSS-lite in IoT environments.

연구 동기 및 목표

• CCN-lite와 같은 경량 ICN 구현에서 IoT 기기용으로 효율적인 pub/sub 지원의 부족을 해결한다.
• IP 기반 프로토콜이 높은 부하를 유발하는 자원이 제한된 IoT 네트워크에서 콘텐츠 중심의 확장 가능한 통신을 가능하게 한다.
• 기존의 CCN-lite 배포와 원활하게 통합될 수 있는 최소한의 상호운용 가능한 pub/sub 메커니즘을 설계한다.
• 저전력 손실 네트워크(LLNs)에서 RPL 라우팅 프로토콜을 사용하여 다중 홉 통신을 지원한다.
• 실제 센서 하드웨어를 사용한 IoT 실험실 환경에서의 운영 가능성과 성능 향상을 입증한다.

제안 방법

• 구독 및 발행 패킷을 처리할 수 있도록 경량 pub/sub 컴ponent(COPSS-lite 코어)을 CCN-lite에 통합하여 기능을 강화하였다.
• 가상 레이어 인터페이스를 통해 CCN-lite Interest 및 Data 패킷을 관리하기 위해 COPSS-lite 포워더 모듈을 통합하였다.
• 주 스레드를 설계하여 들어오는 패킷을 적절한 모듈(코어 또는 포워더)으로 라우팅하였다.
• 저전력 손실 네트워크에서의 라우팅을 위해 RPL 프로토콜을 통합하여 다중 홉 통신을 가능하게 하였다.
• RIOT OS에 시스템을 구현하고, CCN-lite를 지원하는 32비트 M3 및 A8 노드에서 테스트를 수행하였다.
• 10종의 콘텐츠 유형과 9개의 노드를 사용하여 다양한 트래픽 패턴(Zipf, Geometric, Uniform, Binomial)을 기반으로 성능을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자원이 제한된 IoT 환경에서 CCN-lite에 경량 pub/sub 메커니즘이 효율적으로 통합될 수 있는가?
• RQ2 COPSS-lite는 CCN-lite의 기존 쿼리/응답 메커니즘 대비 네트워크 부하와 지연 시간 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 다양한 콘텐츠 접근 패턴을 가진 IoT 네트워크에서 COPSS-lite는 얼마나 많은 오버헤드를 감소시키는가?
• RQ4 COPSS-lite는 CCN-lite를 지원하는 표준 IoT 플랫폼에서 상호운용성과 배포가 가능한가?
• RQ5 COPSS-lite는 IoT 배포에서 흔히 볼 수 있는 다중 홉 및 손실이 발생하는 네트워크 토폴로지에서 효과적으로 작동할 수 있는가?

주요 결과

• COPSS-lite는 특히 Zipf 분포와 같은 높은 콘텐츠 인기 분포 상황에서 CCN-lite의 쿼리/응답 모델 대비 네트워크 부하를 크게 감소시켰다.
• Geometric(p=0.25), Uniform, Binomial(p=0.2, 0.5, 0.8)을 포함한 모든 테스트 트래픽 패턴에서 사용자 인지 지연 시간이 상당히 낮게 나타났다.
• 32비트 IoT 플랫폼(M3 및 A8 노드)과 RIOT OS에서 시스템이 효율적으로 작동하여 기존의 CCN-lite 배포와의 이식성과 호환성을 확인하였다.
• RPL 통합을 통해 저전력 손실 네트워크에서 신뢰할 수 있는 다중 홉 포워딩이 가능해져 확장 가능한 IoT 배포를 지원하였다.
• 실제 센서 장치를 사용한 IoT 실험실 환경에서의 평가를 통해 COPSS-lite의 운영 가능성과 실용적 타당성이 확인되었다.
• 자원이 제한된 IoT 환경에서 COPSS-lite의 pub/sub 모델은 전통적인 요청-응답 메커니즘 대비 지연 시간과 대역폭 효율성 측면에서 모두 뛰어난 성능을 보였다.