Performance evaluation of the trustful space-time ptotocol

Abstract

Redes de Sensores Sem Fios (RSSF) têm sido implementadas de muitas formas diferentes ao longo dos últimos anos. Prédios, casas, fazendas, rios, o clima, chãos de fábrica, e muitos outros tipos de ambiente, podem todos ser monitorados e controlados por uma rede sem fios composta de dispositivos computacionais baratos equipados com diferentes sensores e atuadores. Com estas redes conectando-se à Internet das Coisas (IoT, do inglês Internet of Things), torna-se cada vez mais importante que as mesmas operem de maneira confiável, com sistemas operacionais e protocolos de comunicação orientados ao domínio de aplicação e cuidadosamente implementados. O Trustful Space-Time Protocol (TSTP) é um protocolo cross-layer para RSSF projetado para enriquecer dados com semântica de unidades do Sistema Internacional (SI), autenticação, criptografia, temporalidade e georeferenciamento de forma eficiente. Através da integração de dados compartilhados por múltiplos serviços de rede em uma única infraestrutura de comunicação, TSTP é capaz de eliminar a replicação de informação entre serviços, atingindo um sobrecusto modesto em termos de mensagens de controle. Porém, a complexidade das funcionalidades do TSTP, seu amplo escopo - da aplicação ao controle de acesso ao meio, - e sua natureza experimental trazem requerimentos diversos, além daqueles normalmente considerados na maioria dos projetos de software. Nesta dissertação, o projeto de protocolo do TSTP é exposto em detalhes, com uma descrição dos formatos de mensagem e algoritmos usados para controle de acesso ao meio, roteamento geográfico, localização espacial, sincronização temporal e segurança. Então, uma implementação desenvolvida para o Embedded Parallel Operating System (EPOS) e a plataforma de RSSF EPOSMote III é apresentada. Para evitar uma implementação monolítica da abordagem cross-layer, um projeto baseado em componentes é utilizado, explorando técnicas de metaprogramação com templates para adaptar e combinar blocos básicos. Uma arquitetura orientada a eventos que gerencia buffers enriquecidos com metadados sem gerar cópias de memória é aplicada para tratar de requisitos transversais. O projeto e a implementação do protocolo são avaliados com experimentos na plataforma EPOSMote III, com um porte para o simulador OMNeT++ e com um modelo analítico de comportamento da rede. Com base nos experimentos e dados coletados por meio de várias ferramentas de avaliação, parâmetros do protocolo são ajustados e otimizados, melhorando o TSTP e trazendo-o um passo mais perto de seu objetivo de prover uma solução completa e eficiente para RSSF integradas à IoT.

Abstract : Wireless Sensor Networks (WSN) have been implemented in many different forms over the years. Buildings, homes, farms, rivers, the weather, assembly lines, and many more physical environments, can all be monitored and sometimes controlled by a wireless network of cheap computing devices equipped with different sensors and actuators. As these networks get connected to the Internet of Things (IoT), it is ever more important that they operate trustfully, with carefully-designed and -implemented domain-oriented operating systems and network protocols. The Trustful Space-Time Protocol (TSTP) is a cross-layer WSN protocol designed to deliver authenticated, encrypted, timed, and georeferenced messages containing data compliant with the International System of Units (SI) in a resource-efficient way. By integrating shared data from multiple networking services into a single communication infrastructure, TSTP is able to eliminate replication of information across services, achieving small overhead in terms of control messages. However, the complexity of TSTP s features, its broad range - from application to Medium Access Control, - and its experimental nature bring diverse requirements beyond those usually considered in most software designs. In this dissertation, the protocol design of TSTP is presented in detail, with a description of the message formats and algorithms used for medium access control, geographic routing, spatial localization, time synchronization, and security. Then, an implementation is developed for the Embedded Parallel Operating System (EPOS) and the EPOSMote III WSN platform. To avoid a monolithic implementation of the cross-layer approach, a component-based design is used, exploring template metaprogramming techniques to adapt and combine basic building blocks. An event-driven architecture that makes use of zero-copy buffers and metadata is used to handle crosscutting concerns. The design and implementation are assessed with experiments on the EPOSMote III platform, with a port for the OMNeT++ simulator, and with an analytic model of network behavior. With the experiments and data collected from various evaluation tools, parameters of the protocol are adjusted and optimized, improving TSTP and taking it one step closer to its goal of being a complete, efficient solution for IoT-ready WSNs.