[论文解读] 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 7

一句话总结

COPSS-lite 是一种轻量级、可互操作的发布/订阅（pub/sub）扩展，专为 CCN-lite 设计，旨在实现资源受限物联网环境中的高效内容分发。通过将发布/订阅语义集成到 CCN-lite 中，并利用 RPL 实现多跳路由，COPSS-lite 降低了网络负载和延迟——在真实物联网实验室测试中，与传统的查询/响应机制相比，性能显著提升，尤其在传感器节点环境中表现优异。

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.

研究动机与目标

• 解决轻量级信息中心网络（ICN）实现（如 CCN-lite）在物联网设备中缺乏高效发布/订阅支持的问题。
• 在资源受限的物联网网络中实现基于内容的、可扩展的通信，以避免基于 IP 的协议带来的高开销。
• 设计一种最小化、可互操作的发布/订阅机制，可无缝集成至现有 CCN-lite 部署中。
• 通过 RPL 路由协议支持在低功耗、高丢包率网络（LLNs）中实现多跳通信。
• 通过在物联网实验室环境中使用真实传感器硬件，验证系统的可操作性与性能优势。

提出的方法

• 在 CCN-lite 中增强轻量级发布/订阅组件（COPSS-lite 核心），以处理订阅和发布数据包。
• 集成 COPSS-lite 转发模块，通过虚拟链路层接口管理 CCN-lite 的 Interest 和 Data 数据包。
• 系统设计采用主线程，负责将传入的数据包路由至相应模块（核心或转发模块）。
• 通过集成 RPL 协议，实现低功耗、高丢包率网络中的多跳通信。
• 在 RIOT OS 上实现系统，并在支持 CCN-lite 的 32 位 M3 和 A8 节点上进行测试。
• 使用多种流量模式（Zipf、几何分布、均匀分布、二项分布）评估性能，包含 10 种内容类型和 9 个节点。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在资源受限的物联网环境中，高效地将轻量级发布/订阅机制集成到 CCN-lite 中？
• RQ2 与 CCN-lite 中传统的查询/响应机制相比，COPSS-lite 在网络负载和延迟方面表现如何？
• RQ3 在不同内容访问模式下，COPSS-lite 对物联网网络开销的降低程度如何？
• RQ4 COPSS-lite 是否具备与支持 CCN-lite 的标准物联网平台的互操作性和可部署性？
• RQ5 COPSS-lite 是否能在物联网部署中常见的多跳、高丢包率网络拓扑中有效运行？

主要发现

• 与 CCN-lite 的查询/响应模型相比，COPSS-lite 显著降低了网络负载，尤其在 Zipf 分布等高内容流行度分布下表现更优。
• 在所有测试的流量模式下，用户感知的延迟在 COPSS-lite 中均显著降低，包括几何分布（p=0.25）、均匀分布以及二项分布（p=0.2、0.5、0.8）。
• 系统在 32 位物联网平台（M3 和 A8 节点）上运行高效，使用 RIOT OS，证实其在现有 CCN-lite 部署中的可移植性与兼容性。
• RPL 的集成实现了低功耗、高丢包率网络中的可靠多跳转发，支持可扩展的物联网部署。
• 在真实传感器设备的物联网实验室环境中进行的评估，证实了 COPSS-lite 的可操作性与实际可行性。
• 在资源受限的物联网环境中，COPSS-lite 的发布/订阅模型在延迟和带宽效率方面均优于传统的请求-响应机制。