[論文レビュー] COPSS-lite: Lightweight ICN Based Pub/Sub for IoT Environments

Haitao Wang, Sripriya Srikant Adhatarao+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2017

Caching and Content Delivery参考文献 7被引用数 7

ひとこと要約

COPSS-lite は、リソース制約のある IoT 環境における効率的なコンテンツ配信を可能にする、CCN-lite 用の軽量で相互運用性のある発行/購読（pub/sub）拡張機能です。CCN-lite に pub/sub 意味論を統合し、RPL を用いたマルチホップルーティングを実装することで、ネットワーク負荷と遅延を低減し、実際の IoT ラボテストにおけるセンサーノードを用いた評価で、従来のクエリ/レスポンスメカニズムに比べ顕著な性能向上を示しました。

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.

研究の動機と目的

• CCN-lite のような軽量 ICN 実装における効率的な pub/sub 支援の不足に対処すること。
• IP ベースのプロトコルが高コストを引き起こすリソース制約のある IoT ネットワークにおけるコンテンツ指向でスケーラブルな通信を可能にすること。
• 既存の CCN-lite デプロイとシームレスに統合できる最小限で相互運用性のある pub/sub メカニズムを設計すること。
• 低消費電力・損失の大きいネットワーク（LLNs）におけるマルチホップ通信を、RPL ルーティングプロトコルを用いてサポートすること。
• IoT ラボ環境での実際のセンサーハードウェアを用いて、運用可能性と性能向上の両面を実証すること。

提案手法

• 発行・購読パケットを処理するための軽量な pub/sub コンponent（COPSS-lite コア）を CCN-lite に拡張。
• 仮想リンクリンク層インタフェースを介して CCN-lite の Interest および Data パケットを管理する COPSS-lite フォワーダーモジュールを統合。
• 受信パケットを適切なモジュール（コアまたはフォワーダー）にルーティングするメインスレッドを設計。
• 低消費電力・損失の大きいネットワークにおけるルーティングのために RPL プロトコルを統合し、マルチホップ通信を可能に。
• RIOT OS 上にシステムを実装し、CCN-lite をサポートする 32 ビット M3 および A8 ノードでテスト。
• 10 種類のコンテンツタイプと 9 ノードを用いた、さまざまなトラフィックパターン（Zipf、幾何分布、一様分布、二項分布）による性能評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リソース制約のある IoT 環境において、CCN-lite に効率的に統合可能な軽量な pub/sub メカニズムを実装できるか？
• RQ2 COPSS-lite は、CCN-lite の従来のクエリ/レスポンスメカニズムと比較して、ネットワーク負荷と遅延の点でどのように異なるか？
• RQ3 COPSS-lite は、さまざまなコンテンツアクセスパターンを有する IoT ネットワークで、どの程度のオーバーヘッド低減を実現するか？
• RQ4 COPSS-lite は、CCN-lite をサポートする標準的な IoT プラットフォームと相互運用可能で、展開可能か？
• RQ5 COPSS-lite は、IoT デプロイで一般的なマルチホップ・ロスの大きいネットワークトポロジーでも効果的に動作するか？

主な発見

• COPSS-lite は、特に Zipf 分布のような高コンテンツ人気分布において、CCN-lite のクエリ/レスポンスモデルと比較してネットワーク負荷を顕著に低減している。
• Geometric（p=0.25）、Uniform、Binomial（p=0.2、0.5、0.8）を含むすべてのテストトラフィックパターンにおいて、ユーザーが体感する遅延が著しく低く抑えられている。
• RIOT OS を搭載した 32 ビット IoT プラットフォーム（M3 および A8 ノード）でも効率的に動作しており、既存の CCN-lite デプロイと互換性があり、移植性が確認された。
• RPL の統合により、低消費電力・損失の大きいネットワークにおける信頼性の高いマルチホップフォワーディングが可能となり、スケーラブルな IoT デプロイメントを支援する。
• IoT ラボ環境における実際のセンサーデバイスを用いた評価により、COPSS-lite の運用可能性と実用的妥当性が確認された。
• リソース制約のある IoT 環境において、COPSS-lite の pub/sub モデルは、遅延と帯域幅効率の両面で、従来のリクエスト/レスポンスメカニズムを上回っている。